焊接应力变形有限元计算及其工程应用

《焊接应力变形有限元计算及其工程应用》系统介绍了采用有限元计算方法研究材料与结构焊接过程中产生的焊接应力变形问题的基本方法与结果，重点对有限元计算实现技巧和程序设计、焊接应力变形特点表征进行详细描述。主要包括焊接过程温度场的有限元计算过程，焊接应力变形计算过程，焊接应力变形有限元计算精度及其影响因素，焊接应力变形高效有限元计算方法，基于有限元计算的焊接应力变形机理及其影响因素，大型焊接结构应力变形有限元计算工程应用。

前言

第1章 焊接应力变形及其有限元计算过程1

1.1焊接应力变形1

1.1.1焊接应力分布特征1

1.1.2焊接残余应力的影响6

1.1.3大厚板焊接残余应力分布7

1.1.4焊接变形11

1.2焊接应力变形有限元计算过程12

参考文献16

第2章 焊接温度场有限元计算20

2.1热源模型20

2.1.1高斯表面热源21

2.1.2双椭球热源模型21

2.1.3均匀体热源模型22

2.1.4锥形体热源23

2.1.5带状热源23

2.1.6组合热源25

2.2焊接温度场有限元计算过程27

2.2.1堆焊温度场27

2.2.2多道焊接二维温度场33

2.2.3激光深熔焊接41

2.2.4T形接头49

2.2.5电子束焊接57

2.2.6多道对接焊三维温度场65

参考文献72

第3章 焊接应力变形有限元计算过程76

3.1表面堆焊76

3.1.1建立应力变形计算网格模型76

3.1.2定义材料力学性能76

3.1.3施加边界条件76

3.1.4应力变形计算过程77

3.1.5计算结果77

3.2T形接头79

3.2.1应力和变形测试79

3.2.2计算模型80

3.2.3计算代码80

3.2.4计算结果82

3.3厚钛合金板电子束焊接84

3.3.1计算模型和边界条件84

3.3.2计算结果84

3.3.3计算代码85

3.4碳钢多道焊接87

3.4.1计算过程87

3.4.2焊缝生长的模拟87

3.4.3计算结果88

3.4.4计算代码89

参考文献91

第4章 焊接应力变形有限元计算精度的影响因素93

4.1引言93

4.2网格敏感性94

4.2.1计算模型94

4.2.2计算结果分析96

4.3热源分段99

4.3.1变形分析100

4.3.2残余应力分析101

4.4载荷步数102

4.4.1计算模型102

4.4.2计算结果分析103

4.5拘束条件107

4.5.1夹具和工作台的夹持在计算模型中的实现107

4.5.2可变夹紧力和弹性夹具在有限元模型中的实现115

4.6二维和三维模型116

参考文献119

第5章 焊接应力变形高效有限元计算122

5.1引言122

5.2几种高效计算方法原理与发展123

5.2.1维数降低法123

5.2.2网格自适应方法124

5.2.3焊道集中方法124

5.2.4子结构法126

5.2.5局部—全局法127

5.2.6固有应变与收缩力法128

5.2.7分段移动热源法128

5.2.8高效焊接应力变形计算技术分类129

5.3三维动态子结构法131

5.3.1焊接过程特点分析131

5.3.2子结构方法132

5.3.3焊接应力变形动态子结构法有限元计算133

5.4改进的横纵收缩分离算法136

5.4.1算法原理和计算过程136

5.4.2铝合金焊接139

5.4.3低碳钢堆焊143

5.5迭代子结构法148

5.5.1迭代子结构的基本思想148

5.5.2迭代子结构法稳定性分析150

5.5.3长T形焊缝焊接变形151

5.5.4大型结构焊接角变形153

5.6固有应变方法156

5.6.1固有应变概念及其实现过程156

5.6.2回流器焊接变形预测159

参考文献171

第6章 焊接应力变形机理及影响因素有限元计算研究176

6.1引言176

6.2厚壁管道多道焊接应力变形演化过程176

6.2.1厚壁管道焊接试验176

6.2.2计算模型177

6.2.3计算结果及分析179

6.2.4轴向收缩高效计算182

6.2.5厚壁管道焊接的应力演化过程186

6.3局部去除材料对焊接应力影响196

6.3.1试验过程196

6.3.2有限元模型和计算过程198

6.3.3模型验证198

6.3.4结果和讨论200

6.4外拘束力对焊接应力变形的影响205

6.4.1焊接应力变形三维多体耦合有限元计算205

6.4.2外拘束对焊接变形的影响211

6.4.3外拘束对焊接应力的影响214

6.5外拘束控制T形接头焊接角变形研究219

6.5.1刚性夹持和外部拘束控制变形有限元计算219

6.5.2试验分析222

参考文献225

第7章 大型复杂焊接结构应力变形有限元计算工程应用227

7.1前齿轮—法兰装配体激光深熔焊应力变形227

7.1.1计算模型227

7.1.2材料属性228

7.1.3边界条件229

7.1.4计算过程230

7.1.5计算结果与讨论231

7.2大型厚壁筒体斜插弯管接头应力变形快速预测235

7.2.1有限元模型236

7.2.2简化计算及其结果比较237

7.2.3利用简化模型进行快速预测241

7.3大型核电转子构件焊接应力243

7.3.1计算模型244

7.3.2计算过程245

7.3.3焊接温度场246

7.3.4焊接残余应力场249

7.3.5焊后热处理的有限元计算250

7.3.6焊接微区力学性能对应力场的影响257

参考文献260

彩图 2100433B

《焊接应力变形有限元计算及其工程应用》可作为大专院校焊接技术与工程、材料成型与控制工程、材料加工工程等专业师生的教学参考用书，也可作为科研单位焊接工作者、工厂企业焊接技术人员的参考书。

张建勋，西安交通大学教授、博士生导师，国际焊接工程师，中国致公党党员，西安市政协委员。现任材料科学与工程学院副院长，焊接研究所所长，西安焊接技术学会理事长，中国工程建设焊接协会常务理事，中国焊接学会理事，焊接力学与结构设计制造专业委员会委员，中国机械工业教育协会高等学校机电类学科教学委员会委员，现代焊接生产技术国家重点实验室学术委员会委员。

焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑的问题。

根据焊接应力产生时期的不同，可把焊接应力分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接瞬时应力是焊接时随温度变化而变化的应力；焊接残余应力则是被焊工件冷却到初始温度后所残留的应力。根据焊接应力在被焊工件中的方位不同，可将焊接应力分为纵向应力、横向应力和厚向应力。实际上，焊接应力都是三维应力，但对于薄板，厚向应力相对较小，可按二维应力处理。焊接过程中被焊工件受到不均匀温度场的作用而产生的形状、尺寸变化称为焊接变形。随温度变化而变化的称为焊接瞬时变形；被焊工件完全冷却到初始温度时的改变，称为焊接残余变形。焊接变形有7种形式（见图）。①纵向收缩变形：沿焊缝长度方向的收缩。②横向收缩变形：垂直于焊缝方向的横向收缩。③角变形：绕焊缝轴线的角位移。④挠曲变形：构件中性轴上下不对称的收缩引起的弯曲变形。⑤失稳变形：薄壁结构在焊接残余压应力的作用下，局部失稳而产生的波浪形。⑥错边变形：焊接边缘在焊接过程中，因膨胀不一致而产生的厚度方向的错边。⑦扭曲变形：由于装配不良、施焊程序不合理而使焊缝的纵向、横向收缩没有规律所引起的变形。一般说来，焊接残余应力和变形都是有害的：①使结构材料处于脆性状态，降低静载强度。②引起失稳断裂应力下降。③使被焊工件的疲劳强度降低。④对应力腐蚀开裂和氢致开裂有明显影响。⑤焊接残余应力与工作应力相叠加，使焊接构件局部先期屈服，降低焊接构件的刚性。⑥焊接残余应力具有时效特点，对焊接结构的尺寸稳定性和机加工精度产生影响。焊接残余变形的不良影响有：降低焊接结构的形状和尺寸精度；在外载荷作用下引起应力集中和附加应力，降低结构的承载能力；损害焊接结构的美观。为了减小和调节焊接残余应力，在设计上，应尽量减小焊缝的数量和尺寸；避免焊缝布置过分集中；避免三轴交叉焊缝；采用刚性较小的接头形式；尽量避免将焊缝布置在工作应力最大的区域；在残余拉应力区域内避免几何不连续性引起内应力的进一步增高。在工艺上，应采取合理的焊接顺序和方向，先焊接工作时受力大、收缩量大的焊缝，尽量使焊缝收缩比较自由，后焊直通的长焊缝；采用反变形，降低接头的刚度；及时锤击焊缝；在适当部位进行局部加热。焊后消除焊接残余应力的常用方法有整体高温回火，还有局部高温加火、机械拉伸法、温差拉伸法、振动法、爆炸法等。防止焊接变形的措施有：①设计上尽可能减少焊缝数量，选择合理的焊缝尺寸和形状，合理选择结构形式和安排焊缝位置。②在工艺上，采用高能量密度的焊接方法和小线能量的工艺参量；焊接不对称的焊件时，通过选择不同的焊接参数，控制和调节焊件的弯曲变形；选择合理的装配、焊接顺序；采用反变形和刚性固定措施；采用预拉伸法防止薄板焊接变形等。焊接变形常采用机械方法矫正。对于由长而规则的对接焊缝引起的薄板壳结构的变形，用钢轮碾压焊缝及其两侧，可获得良好的矫正效果。利用局部加热产生压缩塑性变形区，使较长的焊件在冷却后收缩的火焰矫正法，具有机动性强、设备简单的优点，得到广泛采用。 2100433B

《有限元法及其应用》是2012年机械工业出版社出版的图书，作者江见鲸、何放龙。本书是土木工程研究生系列教材之—。本书系统介绍了有限元法的基础核心理论及其在土木工程领域的应用。

本书将重点放在了工程实际问题的计算模型的建立和计算方法的选择上，淡化过程的推导，注重结果的判断。本书既为学生提供了有限元法的基本理论、非线性有限元法及通用有限元软件应用等基本内容，又提供了板壳有限元和其他数值方法等扩展内容。为便于学生学习和掌握有限元软件及其应用，本书配备了ANSYS和MARC软件的详细操作步骤和命令流光盘，供学生使用。 本书既可作为土木工程研究生教材，也可供相关领域的科技人员学习参考。