《外文翻译——高强钢薄壁板间焊接节点的残余应力研究》毕业学术论文.doc

Residual stress study of welded high strength steel thin-walled plate-to-plate joints part 2: Numerical modeling C.K. Lee*，S.P. Chiew，J. JiangThin-Walled Structures 59(2012)120-131 高强钢薄壁板间焊接节点的残余应力研究 第二部分：数值模拟 C.K. Lee*，S.P. Chiew，J. JiangRQT701高强钢薄壁板间焊接节点的焊接过程和最终残余热应力分布。与测试结果相比较证实了数值模拟的精确度和可靠性。在完成校验建模过程的准确性后，进行了小规模的参数化研究来探究某些关键焊接工艺参数对残余应力的大小及分布的影响。 关键词：参与应力分布，高强钢，薄壁板间T型和Y型焊接点，焊接工艺参数 1．引论 焊接是一种通过熔化工件和填充料来形成熔池的加工过程，被频繁地在钢结构的构建中使用。在电容焊中，因为高度局部化、不均匀、短暂的热效应以及材料在高温下的非线性性质，引起了残余应力的。焊接过程中可能在高热影响区产生拉伸残余应力进而导致疲劳断裂失效。对于薄壁板连接件，当母材是高强钢的时候，这种效应更加明显，高强钢与传统低碳钢相比常表现出很低的延展性。既然如此，大的残余应力可能影响连接件的疲劳和强度性能。因此，当高强钢用于结构的连接时，对焊接残余应力的更好的估计是必要的。 在焊接过程中，金属内部的热传递以及表面的对流和辐射导致熔化的金属冷却和对流。因此，掌握温度随时间的变化来评估变形和残余应力是必要的。焊接中的热传递过程在残余应力的形成中起到了关键作用。在焊接过程中，结构受热不均匀以至于引起融化带很高的温度梯度。同时，熔体区钢材的微观结构也被改变。热影响区的膨胀效应被附近的材料限制以至于产生了压塑形应变。最后，在冷却过程中，熔化物从附近的材料有限的收缩，拉伸残余应力因此形成。总的来说，焊接是一个复杂热力耦合过程，为了弄清楚不同的关键焊接参数对最终残余应力分布的影响，连续的数值研究被认为是必要的。 为了精确预测焊接残余应力场，有必要建立一个可靠的热学模型来描述分析焊接过程中的热传递过程。Sheng和Chen【1】 在热力分析中合作建立了一个流体流模型。Goldak et al.【2】建议创建可靠的热输入模型的最好的方法是实验测量温度场同时调整热输入值直到达到较好的一致。【3】表明当热源被校正时，用于计算焊接加工的方法足够产生很好的符合预期的残余应力。Masubuchi【4】对一些模拟残余应力的热输入模型做了一个总结。Hibbitt和Marcal【5】用表面热输入和一个冲量方程来描述焊接填充料附加的热。很多研究者【6—11】对不同种类的焊接案例中残余应力建模技术进行了探索。此外，【12-19】对焊接的力学效应做了一些评论。在焊接仿真中，一些简化和假设被频繁的使用来减少计算成本。集成块技术是在数值模拟过程中两个或更多焊接通道被联合进一个块中，是一种最普遍使用到的技术，用于获得精确度和计算成本之间的一个合理的平衡。为了证实这一技术的可接受性，一些研究者调查了不同集成块组合的影响【参见20-24】。 由于测试是昂贵的、耗时长的并且获得的数据是有限的，有限元模型被广泛用于研究焊接引起的残余应力变形和分布。因此，这篇文章中仔细挑选的顺序耦合热力分析程序应用于高强钢板间节点残余应力分析，文献【25】中早前对此做过实验性研究。分析程序的验证要通过比较数字结果和实验结果得出结论。完成验证建模程序的精确性后，进行了小规模的参数研究来探究诸如边界条件、预热温度、焊接信道数、焊接速度以及焊接序列等关键焊接参数对残余应力的大小和分布的影响。 2.建模过程和技术 2.1 综述 在这篇文章里，用有限元建模程序包ABAQUS【26】来模拟焊接过程。顺序耦合热应力分析的实施通过假设应应力解取决于温度场而没有相反的依赖。顺序耦合热应力分析的运行需要先解决非线性的短暂热传递问题，然后随时间变化的温度数据以预定义字段的形式输入应力分析模型（图1）。在热分析中，假设焊接中产生的应力对温度场的影响可以忽略不计，此外，热对流和辐射效应都考虑在模型中。表1为顺序耦合热应力分析过程做了总结，因此在实验研究【25】中，会发现金属板中截面（节点B，B1，B2，B3所处的截面，见参考文献【25】图7）上残余应力远高于两端面的。为了减少数值建模的计算成本，创建了二维平面应变模型来研究薄壁板间焊缝中截面残余应力的变化【27，28】。用于分析的二维有限单元网格展示在图2。注意到，为了优化数值建模的效率，用大的单元来离散化母板，而用精细化的单元来离散化焊接填充料。 2.2 集成块技术 一种很流行的简化建模过程及减少所需计算成本的方