T形焊接接头残余应力与变形的三维数值模拟

焊接残余应力和变形是个长期困扰船舶行业的难题。本文介绍了预测焊接残余应力和变形的基本数值理论,用MSC.Marc有限元分析软件对T形接头的焊接过程进行了实时三维数值模拟,并对焊接温度场、残余应力分布以及角变形计算结果进行了分析说明。     

预热对Q690E斜Y坡口焊接裂纹影响的数值模拟分析

利用有限元软件ANSYS对Q690E斜Y坡口焊接残余应力进行数值模拟分析。计算焊接温度场的时历历程,再利用间接耦合法结合温度场作为塑性分析初始条件得到焊接场应力值和应力分布,得到相应的应力分布,并探讨在不同工艺条件下高强钢焊接残余应力的分布规律。研究结果表明:焊缝横向残余应力小于纵向残余应力且其在坡口位置最大,提高预热温度有利于增加t8/5和t8/3,减小焊接冷裂纹倾向;延长预热温度有利于减少残余应力,延长焊接件的疲劳寿命;提高预热温度有利于减少焊接热裂纹和弧坑裂纹的产生。     

钛合金Ti-6Al-4V ELI厚板多层多道焊试验与数值模拟

对2块厚度为24mm的Ti-6Al-4VELI厚板进行夹角为171.98°的多层TIG焊接试验,基于SYSWELD软件平台,在焊板两端完全刚性固定的装夹条件下数值模拟计算焊接温度场、应力场和焊接引起的变形.计算结果表明,焊接温度场的变化规律符合实际,焊缝区的拉伸残余应力最大,热影响区的压缩残余应力较大.焊接数值模拟得到的残余应力场与试验测量值能较好地吻合,验证了数值模拟模型的准确性.该数值模拟方法可应用到大深度Ti-6Al-4VELI载人舱强度计算中的焊缝残余应力模拟中.     

铝合金加筋板焊接温度场和残余应力数值模拟

为了掌握铝合金加筋板角接焊过程的温度响应和结构响应,基于顺序耦合法开展了 5083铝合金加筋板角接焊的数值模拟,其中采用了双椭球热源模拟M1G焊的热输入,并通过生死单元法模拟焊料填充,较精确地模拟了铝合金MIG焊的焊接过程.数值结果较好地反映了铝合金角接焊时结构的温度变化特征,残余应力计算结果表明:焊缝处的最大焊接残余应力与材料屈服限相当;不同约束方式下的焊接残余应力分量的峰值差异很小,沿焊缝中心和板中线的残余应力分布也基本一致.     

考虑残余应力的加筋板结构疲劳裂纹应力强度因子计算方法研究

文章基于温度梯度法对焊接残余应力分布进行了模拟。通过对有限元网格划分规则的讨论,确定了数值模拟过程中应力强度因子计算的最佳方案,同时,采用Green函数法以及Faulkner模型给出了残余应力作用下应力强度因子的理论值。通过有限元模拟与理论计算的结果比较,验证了常规载荷以及残余应力作用下,含中心裂纹平板以及含初始裂纹加筋板结构应力强度因子计算结果的准确性,建立了考虑残余应力影响的结构裂纹扩展模拟流程。最后,通过拉伸载荷下加筋板裂纹扩展模型试验对数值计算方法进行了验证,为加筋板结构裂纹扩展规律研究以及裂纹扩展寿命预报奠定了基础。     

船体焊接残余应力的数值分析

船体在焊接过程中产生的焊接残余应力不仅会降低船体结构的性能,还会使得建造精度难以控制,从而最终影响到船舶建造质量.本文以热弹塑性理论为基础,利用ANSYS非线性分析有限元程序,对船体结构焊缝进行了数值分析,获得了焊接顺序、构件尺寸对残余应力分布的影响规律.分析结果显示,分段焊接可以有效降低残余应力的峰值,尤其是对控制横向残余应力更为明显,焊缝方向上的残余应力会造成较大的残余变形.本文研究结果为优化生产工艺,控制残余应力提供了理论依据.     

焊接速度对AH36船用高强钢焊接残余应力及其释放的影响

焊接件由于焊接速度不同,焊接残余应力分布存在很大差异,焊接残余应力在循环载荷作用下会产生释放现象,焊接残余应力存在对于结构安全性和稳定性有很大影响,有必要开展焊接速度对于焊接残余应力及其释放影响研究。基于ABAQUS软件二次开发建立平板对接焊试件焊接残余应力以及释放有限元模型,利用顺序耦合热力学数值仿真计算三种焊接速度下的焊接残余应力分布,并开展三种焊接速度下初始焊接残余应力在三种拉伸循环载荷作用下的释放情况研究。     

板材焊缝间隙差异对温度场及应力场的影响

针对国内外船体板材对接焊焊接工序中,对于焊缝间隙的差异引起的温度场、残余应力以及板材横向收缩量的研究规律问题,利用焊接专用软件Sysweld,对船体板材在不同焊缝间隙下对接焊焊接过程进行数值模拟仿真,分析得到随着焊缝间隙的增大,焊接过程中的最高温度,焊接冷却后板材的残余应力以及横向收缩量都是增大的,为实现焊接过程中变形量的精度控制等提供了前提条件。     

焊接转子热处理过程中残余应力释放行为数值研究

基于ABAQUS有限元分析软件,编写DFLUX、FILM和UEXPAN子程序,建立焊接转子模拟件(M-1)和全尺寸焊接转子(M-2)轴对称有限元模型,实现了采用双椭球移动热源模型和考虑固态相变的转子焊接仿真过程。纳入Norton-Bailey蠕变本构方程研究了热处理过程中残余应力在不同热处理参数下的应力松弛行为。结果表明：焊接转子模拟件能够较为准确地反映全尺寸焊接转子焊接残余应力分布状态；考虑固态相变的焊接仿真结果更接近于实验测量值；热处理参数对残余应力释放行为影响不尽相同,其中热处理温度是决定热处理效果的关键因素。     

船体结构腐蚀凹坑焊补修复技术研究

针对船体结构腐蚀凹坑修复问题,利用热-力耦合弹塑性数值计算技术,研究了焊补修复方法,对较大面积和深度坡口的厚壳体凹坑多道焊接过程进行模拟计算,掌握壳体凹坑修复过程中温度场和应力场分布规律,得到最佳工艺参数,并利用试验进行验证.结果表明,采用数值计算方法可较准确预测焊接的温度场和变形以及厚板结构的残余应力,为工艺参数的制定提供重要依据.     

Ti80耐压球壳赤道焊缝残余应力研究

钛合金因其优良的性能得到广泛应用,其材料的焊接特点及其结构在使用过程中的安全可靠性问题也越来越引起人们的关注,目前钛合金已成为载人深潜器耐压球壳的首选材料.本文首先对Ti80对接焊厚板残余应力进行了数值模拟以及X射线无损检测试验研究,在得到数值模拟结果后将其与试验测量值进行对比,结果吻合较好,即Ti80对接焊厚板表面横向残余拉应力呈现不对称双峰;焊缝中心线上的纵向残余拉应力较大;焊缝处沿板厚方向的内部横向残余应力和垂向残余应力在近上下表面处均为拉应力,且横向残余应力高于垂向残余应力,沿板厚方向均呈现拉应力-压应力-拉应力趋势.然后基于热弹塑性有限元分析方法,对Ti80耐压球壳赤道焊缝焊接残余应力进行数值模拟研究,得到赤道焊缝表面残余应力和内部残余应力分布规律.结果显示:Ti80耐压球壳内壳表面有较大的残余拉应力;纵向残余拉应力大于横向残余拉应力;球壳外表面有较大的横向残余压应力,而纵向残余应力为拉应力.     

门型墩与连续箱梁组合结构关键施工技术研究

通过采用有限差分软件FLAC-3D数值模拟技术,对燕山立交桥门型墩隐形横梁与矮断面箱梁砼一次性浇筑过程中温度场、应力场的分布变化规律进行模拟,及箱梁和横梁双向预应力张拉不同工况下的应力模拟分析,并根据分析结果,制定了施工中关键施工技术措施.     

钛合金焊接残余应力值随时间重分布的数值分析

钛合金在室温、高应力条件下的存在明显蠕变现象,焊接钛合金板和壳体内含有较高的焊接残余应力.因此,在焊接残余应力的作用下,钛合金材料会发生蠕变,使结构内固有应变发生变化,从而导致残余应力重分布.本文忽略焊接工艺对材料蠕变特性的影响,采用数值计算方法对TC4钛合金薄板和薄壁球壳的焊接残余应力重分布现象进行了分析.     

FPSO典型焊接接头初始表面裂纹对残余应力影响研究

FPSO目前已成为深水作业的重要设备之一。FPSO为大型焊接结构,焊接过程中不可避免的会有残余应力产生。而焊接接头的焊趾附近容易萌生表面裂纹,裂纹的产生会使残余应力发生重分布,从而影响焊接残余应力对结构疲劳强度的评估。本文首先基于热-弹塑性基本理论和X射线衍射法对FPSO典型焊接接头初始残余应力进行数值模拟和试验研究,结果发现焊趾附近初始横向残余拉应力较大;随后在焊趾附近引入表面初始裂纹,分析含表面初始裂纹的FPSO典型焊接接头残余应力重分布。结果表明引入初始表面裂纹后,裂纹尖端出现了较大的残余拉应力,而远离裂纹区域的残余应力大小和分布几乎不受表面初始裂纹出现后的影响。本文的研究可为FPSO安全性能评估提供参考。     

壳体对接焊工艺的数字仿真研究

利用ANSYS软件,对圆柱壳体圆周对接焊进行数字仿真分析.仿真过程采用双椭球体热源模拟焊接电弧,利用生死单元模拟焊料填充过程,真实再现了实际的焊接过程.通过数值计算总结了壳体圆周焊的焊接温度场、残余应力场和焊接变形的规律,探讨了焊接工艺以及结构尺寸对焊接残余应力及变形的影响,同时通过与实验测量值的比较,验证了仿真分析的可靠性.采用的数值仿真方法及提出的优化焊接工艺可为工程实际提供参考,具有理论和实用价值.     

高强度钢典型焊接接头参数对残余应力的影响

随着深海耐压结构下潜深度不断加大,高强度钢应用越来越广泛。高强度钢对焊接残余应力较为敏感,会对深海耐压结构的疲劳强度产生不利的影响。本文基于焊接热力学理论,利用Ansys的APDL编程语言对高强度钢耐压壳典型焊接接头模型的焊接残余应力进行数值模拟,得出焊接残余应力分布,并与无损检测结果进行对比,结果显示耐压壳典型焊接接头模型数值模拟结果与试验测量结果趋势基本一致。在此基础上研究材料属性及边界条件对耐压壳典型焊接接头焊接残余应力的影响。结果显示:焊缝附近区域存在较大的残余应力,凸面主要是压应力,凹面以拉应力为主;随着与焊缝中心线距离的增大焊接残余应力的值会降低;改变材料属性和边界条件后,耐压壳典型焊接接头模型焊接残余应力幅值会发生变化,并在焊缝附近区域表现更为明显。本文研究结果可为高强度钢水下耐压结构的安全性研究提供相关理论基础。     

热处理对800 MPa级钛合金对接焊平板残余应力影响的数值模拟

钛合金具有高强耐蚀、易焊等优质性能,广泛用于潜艇、深潜器等潜水器的受力构件及耐压耐蚀壳体。在焊接过程中,会不可避免的产生焊接残余应力,较大的焊接残余应力会影响焊接结构的安全性能,而焊后热处理能够有效减少焊接残余应力。本文首先采用数值模拟的方法对TC4对接焊平板热处理前后的残余应力进行计算,通过与试验结果进行对比研究,验证有限元数值模拟的合理性;然后采用该数值模拟方法研究Ti80对接焊平板多层多道焊的整个焊接过程以及焊后热处理方法。结果表明,焊后Ti80对接焊平板表面具有较大横向和纵向残余拉应力,通过热处理工艺后,残余拉应力得到明显降低。因此,通过焊后热处理方法可以在很大程度上降低对焊接结构力学性能可能产生的不利影响的残余拉应力。     

T型材角接焊的变形和残余应力分析

T型材焊接不仅常用于现代造船工程中,而且在近海平台和桥梁建造中也得到广泛应用.焊接过程中,高温移动热源及之后的快速冷却,使得在焊缝及其附近区域产生了残留的拉应力,由此产生焊接变形和残余应力.焊接变形和残余应力的存在,将影响钢结构的建造质量及疲劳强度.为预测焊接变形,基于ANSYS有限元软件应用于对T 型材焊接过程进行模拟,求解残余变形和残余应力分布情况,以及边界约束条件对它们的影响.通过分析可得出,焊缝上的各点在焊接过程中,加热时受压应力,冷却时受拉应力.在热影响区内,沿焊缝方向多为拉应力,垂直焊缝方向多为压应力,也符合纵向应力比横向应力大的特点.     

边界约束对焊接残余应力及其释放的影响分析

采用热弹塑性有限元方法对AH36船用高强度钢对接焊的残余应力进行数值计算,获得了焊缝区域2条路径方向上的纵向残余应力和横向残余应力分布。分析焊接过程中板材不同边界约束对于焊接残余应力的影响,并与试验结果对比。计算结果表明,2条路径上的横向焊接残余应力均受边界约束影响较大,且约束越强残余应力越大;纵向焊接残余应力受边界约束影响与横向残余应力相反,约束越强残余应力越小。随着边界约束增强,加载同样循环次数,无论横向还是纵向焊接残余应力释放程度增加,第一次循环释放量占总的50次循环释放量比例逐渐增加。     

30CrMo板增材再制造的温度场及残余应力

基于热-弹塑性理论和有限元法，利用Simufactwelding软件建立30Cr Mo板再制造的热力耦合有限元模型，分析预热温度、再制造路径对熔池温度分布、热循环曲线、800℃～500℃冷却时间t8/5以及残余拉应力峰值、沿路径残余应力分布的影响。结果表明：随预热温度的升高，道间温度和t8/5均有大幅增加；与其他再制造方案相比，相同路径再制造、且预热250℃时，道间温度约245℃、t8/5>3.0s、且差异较小；再制造件的残余应力以X和Y方向为主导，Y方向最大；相同路径再制造、预热温度300℃对应的Y方向残余拉应力峰值最小，交叉路径再制造、预热温度200℃对应的Y方向残余拉应力峰值最小，与不预热相比，峰值分别降低了约8.0%和6.8%；预热300℃条件下，沿路径的残余应力极大值最小，且交叉路径的残余应力极大值略小于相同路径再制造。研究成果可为30Cr Mo钢零件再制造制预热温度、再制造路径的优选，微观组织和性能的调控提供参考。