焊接應力變形有限元計算及其工程應用 epub pdf mobi txt 電子書下載 2024

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張建勛，劉川著

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發表於2024-11-22

商品介绍

齣版社：科學齣版社

ISBN：9787030438720

版次：1

商品編碼：11686208

包裝：平裝

開本：32開

齣版時間：2015-04-01

用紙：膠版紙

頁數：272

正文語種：中文

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書籍描述

編輯推薦

　　《焊接應力變形有限元計算及其工程應用》可作為大專院校焊接技術與工程、材料成型與控製工程、材料加工工程等專業師生的教學參考用書，也可作為科研單位焊接工作者、工廠企業焊接技術人員的參考書。

內容簡介

　　《焊接應力變形有限元計算及其工程應用》係統介紹瞭采用有限元計算方法研究材料與結構焊接過程中産生的焊接應力變形問題的基本方法與結果，重點對有限元計算實現技巧和程序設計、焊接應力變形特點錶徵進行詳細描述。主要包括焊接過程溫度場的有限元計算過程，焊接應力變形計算過程，焊接應力變形有限元計算精度及其影響因素，焊接應力變形高效有限元計算方法，基於有限元計算的焊接應力變形機理及其影響因素，大型焊接結構應力變形有限元計算工程應用。

作者簡介

　　張建勛，西安交通大學教授、博士生導師，國際焊接工程師，中國緻公黨黨員，西安市政協委員。現任材料科學與工程學院副院長，焊接研究所所長，西安焊接技術學會理事長，中國工程建設焊接協會常務理事，中國焊接學會理事，焊接力學與結構設計製造專業委員會委員，中國機械工業教育協會高等學校機電類學科教學委員會委員，現代焊接生産技術國傢重點實驗室學術委員會委員。

前言
第1章焊接應力變形及其有限元計算過程1
1.1焊接應力變形1
1.1.1焊接應力分布特徵1
1.1.2焊接殘餘應力的影響6
1.1.3大厚闆焊接殘餘應力分布7
1.1.4焊接變形11
1.2焊接應力變形有限元計算過程12
參考文獻16
第2章焊接溫度場有限元計算20
2.1熱源模型20
2.1.1高斯錶麵熱源21
2.1.2雙橢球熱源模型21
2.1.3均勻體熱源模型22
2.1.4錐形體熱源23
2.1.5帶狀熱源23
2.1.6組閤熱源25
2.2焊接溫度場有限元計算過程27
2.2.1堆焊溫度場27
2.2.2多道焊接二維溫度場33
2.2.3激光深熔焊接41
2.2.4T形接頭49
2.2.5電子束焊接57
2.2.6多道對接焊三維溫度場65
參考文獻72
第3章焊接應力變形有限元計算過程76
3.1錶麵堆焊76
3.1.1建立應力變形計算網格模型76
3.1.2定義材料力學性能76
3.1.3施加邊界條件76
3.1.4應力變形計算過程77
3.1.5計算結果77
3.2T形接頭79
3.2.1應力和變形測試79
3.2.2計算模型80
3.2.3計算代碼80
3.2.4計算結果82
3.3厚鈦閤金闆電子束焊接84
3.3.1計算模型和邊界條件84
3.3.2計算結果84
3.3.3計算代碼85
3.4碳鋼多道焊接87
3.4.1計算過程87
3.4.2焊縫生長的模擬87
3.4.3計算結果88
3.4.4計算代碼89
參考文獻91
第4章焊接應力變形有限元計算精度的影響因素93
4.1引言93
4.2網格敏感性94
4.2.1計算模型94
4.2.2計算結果分析96
4.3熱源分段99
4.3.1變形分析100
4.3.2殘餘應力分析101
4.4載荷步數102
4.4.1計算模型102
4.4.2計算結果分析103
4.5拘束條件107
4.5.1夾具和工作颱的夾持在計算模型中的實現107
4.5.2可變夾緊力和彈性夾具在有限元模型中的實現115
4.6二維和三維模型116
參考文獻119
第5章焊接應力變形高效有限元計算122
5.1引言122
5.2幾種高效計算方法原理與發展123
5.2.1維數降低法123
5.2.2網格自適應方法124
5.2.3焊道集中方法124
5.2.4子結構法126
5.2.5局部—全局法127
5.2.6固有應變與收縮力法128
5.2.7分段移動熱源法128
5.2.8高效焊接應力變形計算技術分類129
5.3三維動態子結構法131
5.3.1焊接過程特點分析131
5.3.2子結構方法132
5.3.3焊接應力變形動態子結構法有限元計算133
5.4改進的橫縱收縮分離算法136
5.4.1算法原理和計算過程136
5.4.2鋁閤金焊接139
5.4.3低碳鋼堆焊143
5.5迭代子結構法148
5.5.1迭代子結構的基本思想148
5.5.2迭代子結構法穩定性分析150
5.5.3長T形焊縫焊接變形151
5.5.4大型結構焊接角變形153
5.6固有應變方法156
5.6.1固有應變概念及其實現過程156
5.6.2迴流器焊接變形預測159
參考文獻171
第6章焊接應力變形機理及影響因素有限元計算研究176
6.1引言176
6.2厚壁管道多道焊接應力變形演化過程176
6.2.1厚壁管道焊接試驗176
6.2.2計算模型177
6.2.3計算結果及分析179
6.2.4軸嚮收縮高效計算182
6.2.5厚壁管道焊接的應力演化過程186
6.3局部去除材料對焊接應力影響196
6.3.1試驗過程196
6.3.2有限元模型和計算過程198
6.3.3模型驗證198
6.3.4結果和討論200
6.4外拘束力對焊接應力變形的影響205
6.4.1焊接應力變形三維多體耦閤有限元計算205
6.4.2外拘束對焊接變形的影響211
6.4.3外拘束對焊接應力的影響214
6.5外拘束控製T形接頭焊接角變形研究219
6.5.1剛性夾持和外部拘束控製變形有限元計算219
6.5.2試驗分析222
參考文獻225
第7章大型復雜焊接結構應力變形有限元計算工程應用227
7.1前齒輪—法蘭裝配體激光深熔焊應力變形227
7.1.1計算模型227
7.1.2材料屬性228
7.1.3邊界條件229
7.1.4計算過程230
7.1.5計算結果與討論231
7.2大型厚壁筒體斜插彎管接頭應力變形快速預測235
7.2.1有限元模型236
7.2.2簡化計算及其結果比較237
7.2.3利用簡化模型進行快速預測241
7.3大型核電轉子構件焊接應力243
7.3.1計算模型244
7.3.2計算過程245
7.3.3焊接溫度場246
7.3.4焊接殘餘應力場249
7.3.5焊後熱處理的有限元計算250
7.3.6焊接微區力學性能對應力場的影響257
參考文獻260
彩圖

精彩書摘

　　第1章焊接應力變形及其有限元計算過程
　　1.1 焊接應力變形
　　焊接應力變形是由多種因素交互作用而形成的。在不考慮外部約束的條件下，傳統的焊接應力變形産生機理可錶述為［1］：焊接熱源引起材料不均勻的局部熱過程，局部加熱使焊接區熔化形成熔池，而與熔池毗鄰的高溫區材料的熱膨脹則受到周圍材料的限製，産生不均勻的壓縮塑性變形；在冷卻過程中，已發生壓縮塑性變形的這部分材料（如長焊縫的兩側）又受到周圍條件的製約，而不能自由收縮，在不同程度上又被拉伸而卸載；與此同時，熔池凝固，金屬冷卻收縮時也産生相應的應力與變形。由此在焊接區産生瞭不協調應變（有資料稱為殘餘塑性應變、初始應變、固有應變等）。與焊接區産生的不協調應變相對應，在構件中會形成自身相平衡的內應力，通稱為焊接應力。
　　焊接區金屬在冷卻到較低溫度時，材料迴復到彈性狀態；此時若有組織轉變（如奧氏體轉變為馬氏體），則伴隨體積變化而齣現相變應力。隨焊接熱過程而變化的內應力和變形稱為焊接瞬態應力與瞬態變形。而焊後，在室溫條件下，殘留於構件中的內應力與變形稱為焊接殘餘應力與焊接殘餘變形［1］。在不混淆的情況下，焊接應力與變形通常是指焊接殘餘應力與焊接殘餘變形。
　　1.1.1 焊接應力分布特徵
　　焊接應力的分布和大小隨焊接方法、工藝參數、焊接結構、焊接材料、坡口形式、拘束條件、厚度、修補、焊接前後處理等變化，因而影響焊接應力的因素眾多，分布復雜。國內外眾多學者對焊接殘餘應力的諸多形式、影響因素和形成機理進行瞭總結和深入分析［2—5］。Ueda等［6］認為焊縫中的固有應變是産生焊接殘餘應力的源，並可用於測試和預測焊接殘餘應力。Dong［7］和Brickstad等［8］采用有限元方法深入研究瞭環焊縫的殘餘應力分布，重點研究瞭殘餘應力沿厚度分布特徵。焊接過程常涉及焊縫打磨和修補焊接等工藝，這些工藝會顯著影響焊後殘餘應力的分布［9］。Teng等［10］及Wu等［11］分彆研究瞭焊接條件對T形接頭和對接接頭的影響規律。隨著攪拌摩擦焊、綫性摩擦焊和慣性摩擦焊這類半固態焊接方法的發展，其應力分布特徵和相關測試方法也日益受到人們的關注［12—15］。激光、電子束等高能束焊接方法形成的焊縫窄小，其焊後殘餘應力分布在窄小的焊縫區域，應力變化梯度比電弧焊形成的應力梯度大，並且沿厚度分布特徵有所不同。張建勛等［16—18］采用小孔法試驗測試和有限元計算方法研究瞭大厚度鈦閤金電子束焊接的錶層和內部應力分布特徵，並研究瞭焊後去除材料對電子束焊接殘餘應力的影響。此外，張建勛等［19—22］還深入分析瞭激光焊接的應力分布特徵，並和氬弧焊接形成的殘餘應力進行比較。
　　焊接應力根據分類方法不同可有多種分類，根據焊接應力的存在方式可以分為瞬態焊接應力和殘餘焊接應力；按相對於焊縫方嚮可分為縱嚮應力σx（平行焊縫方嚮）、橫嚮應力σy（垂直焊縫方嚮）和厚度方嚮應力σz。
　　本書以單道對接電弧熔化焊有限元計算為例，分析焊接殘餘應力特徵。計算試闆尺寸為300 mm×120 mm×6 mm，材料為16Mn鋼。由於試闆相對焊縫對稱，取一半試闆建立有限元模型如圖1—1所示，其中焊縫區域的單元尺寸為5 mm×3.6 mm×1.2 mm。焊接方法為二氧化碳氣保焊，單層焊接，焊接電流為280 A，電壓為28 V，焊接速度為6 mm/s。焊縫中心綫所在的縱嚮截麵施加對稱約束，對稱麵上的節點隻能在此平麵內移動，不能沿闆寬方嚮（y方嚮）移動；焊接起始所在橫嚮截麵的遠離焊縫端限製瞭縱嚮（x方嚮）移動；遠離焊縫端下錶麵兩個節點約束z嚮的位移。
　　1. 縱嚮殘餘應力縱嚮殘餘應力是指焊接結構中平行焊縫方嚮的殘餘應力。圖1—2錶示瞭上下錶麵的縱嚮殘餘應力分布。由圖可見，焊縫中部區域的縱嚮殘餘應力為高的拉伸應力，其峰值達到材料的屈服強度，引弧和熄弧端區域的縱嚮殘餘應力下降為較小的壓縮應力；由於縱嚮殘餘應力沿橫嚮（y方嚮）應是自相平衡的，所以在中部遠離焊縫的區域齣現壓縮應力。由圖也可以看齣，該焊接試闆的厚度不大，且為單道焊接，故上下錶麵縱嚮應力變化不大。
　　2. 橫嚮殘餘應力通常認為，焊接橫嚮殘餘應力是由焊縫及其附近塑性變形區縱嚮收縮所引起的焊接殘餘應力以及焊縫及其附近塑性變形區橫嚮收縮的不同時性所引起的殘餘應力的綜閤［1］。
　　圖1—3所示為計算得到的低碳鋼單道焊接試闆上錶麵橫嚮殘餘應力分布。由圖可見，拉伸橫嚮殘餘應力齣現在試闆的中部，壓縮應力齣現在焊縫引弧和熄弧端，而且壓縮應力幅值超齣瞭拉伸應力幅值，最大壓縮應力幅值達到屈服強度。
　　3. 厚度方嚮殘餘應力通常來說，當闆厚超過一定厚度或采用多層焊接時，由於焊接時沿厚度方嚮內部比錶麵冷卻緩慢或經過多次的焊接熱過程，會引起厚度方嚮的殘餘應力。圖1—4 所示為本計算的上錶麵厚度方嚮應力分布。由於是單層焊接，從圖中看齣，相比縱嚮應力和橫嚮應力，厚度方嚮殘餘應力幅值較小。
　　焊接試闆的中截麵位置（圖1—1中A-A截麵）上錶麵沿寬度變化的各方嚮應力如圖1—5所示。由圖可見，計算得到的縱嚮拉應力分布區域寬度約為20 mm，遠離焊縫區域為較小的壓縮應力與焊縫區域的拉伸應力平衡；橫嚮殘餘應力峰值齣現在離焊縫金屬邊界8～10 mm的地方，這可能是由焊縫金屬和母材金屬在熔閤綫處存在很大溫度梯度造成的；厚度方嚮殘餘應力相對縱嚮和橫嚮應力幅值較小。
　　1.1.2 焊接殘餘應力的影響焊接殘餘應力是焊接過程的固有産物。焊接殘餘應力對焊接結構服役性能和安全性的影響一直受到關注，並獲得瞭豐富的研究成果［23—26］。Bussu等［27］研究認為，殘餘應力對2024—T351鋁閤金攪拌摩擦焊接接頭的疲勞裂紋擴展速率及疲勞裂紋擴展門檻值的影響比局部區域硬度和組織變化的影響顯著。瞿偉廉等［28］研究認為，焊接殘餘應力影響疲勞裂紋擴展速率，但裂紋擴展過程中殘餘應力會重新分布，不考慮殘餘應力的重分布將會對構件的疲勞壽命評估給齣保守結果。王東坡等［29］指齣，采用應力釋放後的小尺寸試樣疲勞試驗結果進行大型結構的設計和安全評定是不閤適的。薛小龍等［30］研究認為，焊接殘餘應力對在綫焊接正交接管結構的強度性能産生瞭較大影響，故應盡量消除殘餘應力以減小其産生的不良影響，因此在進行強度性能研究時，應充分考慮殘餘應力的影響。眾多研究錶明，焊接殘餘應力會加速焊接結構的應力腐蝕和疲勞破壞，最終引起脆性斷裂［31］；焊接殘餘應力還是導緻氫在焊接接頭聚集的主要原因之一［32］，也是影響焊接結構蠕變性能的重要因素［33］，並影響CTOD設計麯綫［34］。當以啓裂作為管道失效準則時，必須考慮焊接殘餘應力的影響；另外，對管道進行晶間應力腐蝕裂紋分析時，必須計入焊接殘餘應力的影響［35］。
　　總體來說，焊接殘餘應力的影響可以分為以下幾個方麵［1］。
　　（1）對構件承受靜載能力的影響。在一般焊接構件中，焊縫區的縱嚮拉伸殘餘應力的峰值較高，在某些材料上可接近材料的屈服強度。當外載工作應力和它的方嚮一緻而相疊加時，在這一區域會發生局部塑形變形，這部分材料就會喪失繼續承受外載的能力，因而減少接構件的有效承載截麵，降低結構的承載能力。
　　（2）對結構斷裂行為的影響。在實際構件中，當使用溫度低於材料的脆性轉變溫度，或結構鋼韌性較低時，焊接缺陷（如裂紋、未熔透、未熔閤等）會導緻焊接結構的低應力脆性斷裂。因此，在斷裂評定中必須考慮拉伸殘餘應力與工作應力共同作用的影響，在結構設計中應引入應力強度修正係數。如果裂紋尖端處於焊接殘餘拉應力範圍內，則缺陷尖端的應力強度增大，裂紋擴展的可能性增大；當裂紋類缺陷擴展至殘餘壓應力範圍時，裂紋擴展的驅動力減小，裂紋擴展也變緩。隨後，裂紋有可能繼續擴展或停止擴展，這取決於裂紋長度、應力強度和結構運行環境溫度。雖然焊接殘餘應力分布於焊接局部區域，但對焊接結構的斷裂影響是全局的。
　　（3）對疲勞強度的影響。焊接拉伸殘餘應力阻礙裂紋閉閤，它會提高疲勞載荷的應力平均值，改變應力循環特徵，從而加劇應力循環損傷。當焊縫區的拉應力使應力循環的平均值增高時，疲勞強度會降低。焊接接頭是應力集中區，殘餘拉應力對疲勞的不利影響也會更明顯。在工作應力作用下，在疲勞載荷的應力循環中，殘餘應力的峰值有可能降低，循環次數越多，降低的幅度越大。