科创中国

我国在焊接应力变形的数值模拟分析方面已取得了可喜的成就和进展但由于焊接过程的复杂性及影响因素较多，目前对于复杂和大型焊接结构的应力和变形的预测还存在许多困难，主要表现为数值模拟过程中结构的自由度规模庞大瞬态分析时间步繁多材料性能的严重非线性变化影响了求解过程的精度和效率结构中的局部高温区的存在导致有限元方程组性态变差熔池及其附近高温区导致其精确数学物理模型的建立困难移动热源导致过程非线性坡口、填充金属、多道焊等引起的复杂几何形状，在精确的数值模拟过程中会增加计算工作量。目前制造业数值模拟及仿真分析的发展趋势是建立尽可能精确的模型获得精确的结果，进而全面科学地分析过程的本质。焊接应力与变形数值模拟同样面临相同的问题，其发展趋势也应是在建立精确模型的基础上，获得焊接应力与变形的物理本质及其分布规律，从而为工程预测和控制提供坚实技术基础。要将热弹塑性焊接应力与变形数值模拟技术全面运用于实际生产并用来指导工艺设计、制订和优化加工工艺还有许多问题需要解决。

通过研究可以得出以下结论

1、建立了型接头焊接温度场和应力场三维有限元分析模型，考虑了材料的热物理性能和力学性能随温度而变化，即材料非线性，模拟计算出实际焊接过程的温度场和焊接应力场的分布规律；

2、本文利用的温度场和应力场间接祸合法计算在一定范围内能较准确地模拟出焊接温度场和应力场，对焊接过程的研究有参考价值。对解决热一结构单向祸合的焊接分析有参考意义。针对型接头开坡口的焊缝的特点，将热源作为焊缝单元内部生热处理，以生热率的形式施加载荷，同时考虑金属的填充作用，运用生死单元的方法，逐步将填充焊缝转化为生单元参与计算中。

3、温度场结果表明采用内部生热热源模型和生死单元技术进行模拟，在焊接过程中会产生准稳定的温度场，即随着热源的移动，模型的瞬态温度场保持不变在始焊和终焊位置的温度会高于准稳态时的温度。焊缝区各点的冷却速度不一致越先焊部位冷却速度越快分析几个关键点的热循环曲线符合焊接过程温度变化规律即焊接过程中热源沿焊件移动时焊件上某点温度由低而高，达到最高值后，又由高而低，随时间而变化，且各点的升温速度明显地比冷却速度要大冷却时，各点温度逐渐趋于某一值，即降到焊件的平均温度为止分析了不同时间焊缝中心线上沿焊接方向各点的温度分布曲线，焊接温度场基本上呈准稳态，得出了基本符合经典理论的结果。

焊接设计人员在设计时优化焊接结构，而且给焊接工艺人员在制定焊接工艺提供参考依据当焊接速度由调整为时，焊接时间相应的加长，焊接过程中熔池温度升高，冷却至室温所用的时间增长，焊缝中心线上沿焊接方向各点的温度分布曲线形状变化不大，但所达到最高温度随焊速的降低而升高随着焊接速度的降低，热影响区温度也随之升高。说明焊接速度对焊接温度场有较大影响，焊接速度太快容易造成焊不透，反之速度太慢容易造成焊接烧透。所以焊接过程，可以通过适当调节焊接速度，以达到较好的焊接效果。应力应变场的分析结果表明在加热过程中，焊缝区域受热膨胀，在受到较冷区域的约束，形成塑性热压缩，产生压应力在冷却过程中，焊缝区域冷却收缩，形成最终的拉伸应力。无论是横向还是纵向应力，最大值出现在腹板与翼板交界处未焊接的一侧。分析结果对实际的焊接有着重要的指导意义。不仅指导焊接设计人员在设计时优化焊接结构，而且给焊接工艺人员在制定焊接工艺提供参考依据。