低合金钢焊接接头仿真分析毕业论文（上）(2)

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1 绪论

1.1 选题背景

焊接是指通过加热或者加压，或者二者并用，并且采用或不采用填充材料，使工件的材质达到原子间结合而形成永久性连接的一种工艺方法。但是焊接时一个涉及到多学科的复杂的物理-化学现象。

传统的焊接过程依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，但事实证明单凭积累工艺试验数据来深入了解和控制焊接过程则既不切实际又成本昂贵并且费时费力，尤其是在大型重要焊接结构制造过程中，客观条件不允许我们做很多次试验，这时数值模拟就发挥了它独特的优势。随着计算机技术的发展，通过计算机软件来模拟焊接过程从而了解和控制它已成为解决现代工程学问题必不可少的有力工具[1]。

焊接过程中的相变过程直接影响焊缝的组织和成分分布，而焊接接头组织的变化将会导致接头强度和韧性的变化，从而使焊接接头成为整个焊接结构中最薄弱的部位。这将直接影响到焊接构件的承载能力和使用寿命。而焊接过程中温度的剧烈变化是影响焊接接头组织和机械性能的主要原因，因此，对温度场进行模拟研究对获得高质量的焊件有着重要意义。通过模拟焊接接头的组织，可以预测在不同焊接方法和工艺参数下接头的组织形态和力学性能，从而实现寻求最佳焊接工艺来改善焊件性能的目的。因此，焊接过程组织模拟对优化焊接工艺具有重要意义[2]。

1.2 焊接模拟技术国内外现状及发展

1.2.1 焊接模拟技术理论来源

焊接数值模拟， 是以试验为基础， 采用一组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面， 采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识( 如焊接温度场、焊接热循环、焊接HAZ 的硬度、焊接区的强度、断裂韧性等) 。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程(本构关系）。常用的焊接数值模拟方法有：解析法，即数值积分法、差分法、有限元法和蒙特卡洛法[3]。焊接数值模拟的现实意义在于， 通过对焊接现象和过程的数

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值模拟，可以通过做很少的试验来优化结构设计和工艺设计， 提高焊接接头的质量。

有限元法起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析，现在它已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域，有限元法已经广泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等[4]。经过多年的发展，有限元数值模拟技术已经成为焊接数值仿真的主流方法，因为焊接最为关心的是变形和残余应力的控制，而有限元方法在这方面有着明显的优势[5]。因此本次课题研究采用有限元分析方法来进行焊接接头的仿真模拟。 1.2.2 焊接模拟技术在国内外发展研究现状

1962 年， 丹麦人首次使用计算机有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算，从70年代开始， 有限差分法逐渐从铸造向锻压、热处理、焊接等方向扩展。到70年代，有限元分析法开始得到应用，日本的上田幸雄等首先以有限元为基础，提出了材料力学性能与强度有关的热弹塑性分析理论。随着计算机技术的发展，焊接有限元计算也有了很大的进展。而我国焊接界有限元模拟研究开始于80年代初，模拟的内容主要是二维温度场或薄板准稳态温度场，进入90年代，三维温度场的模拟开始起步。而焊接有限元模拟的领域也已经拓展到了熔池反应、凝固、固态相变、焊接接头的性能等各个方面[6]。

相关软件方面，国外目前专门做有限元分析软件的公司有几十家，现在已经商业化的大型通用有限元工具软件有NASTRAN、MARC、ABAQUS、ANSYS等，还有专门用于分析焊接现象的软件，如SYSWELD（法）、HEARTS（日）以及QUICK WELDER（日）等。相比于国外，国产有限元软件仅有FEPG，JFEX，KMAS等功能较单一的软件，无法处理大型有限元分析问题[7]。目前焊接数值模拟软件正在朝着集成化、专业化、工程化等方向发展。

1.3 焊接温度场的研究历史与发展

20世纪30年代早期，H.雷卡林，D.Rosenthal H等采用解析法研究焊接热过程，建立了焊接传热学的理论基础[8]。但是解析法的假设太多，不能提供焊接热影响区的精确计算结果。因此在20世纪60、70年代，相继引入了有限差分法（FDM）和有限元法（FEM），解决了复杂焊接现象的计算问题。加拿大的Z.Paley考虑了材料热物理性能与温度的关系，并将熔化区内的单元作为加热的热源来处理，采

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用差分法编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层U、V型坡口的焊接传热计算机程序[9]。但是差分法仅仅只能用于划分规则的网格（正方形、矩形、正三角形等），对于复杂的结构就不再适用。

由于温度场的计算往往服务于热应力场的计算，采用有限元法便于把两者统一起来；因而，有限元法在焊接数值模拟中的应用越来越广泛[10]。1966年Wilson和Nickel首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。在国际上1976年美国G.W.Krutzy在其博士论文中，用有限元法建立了二维焊接温度场的计算模型，并考虑了相变潜热问题。有代表性的是加拿大学者J.Goldak提出的双椭球热源模式。

在国内，1981年西安交通大学唐慕尧等首先用有限元法计算了薄板准稳态焊接温度场。之后，上海交通大学提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法，建立了焊接温度场的有限元计算模型和相应的计算机程序，并对脉冲TIG焊接温度场、局部干法水下焊接温度场等问题进行了成功的实例分析[11]。对于三维问题，国内外也是近十年来才开始研究。汪建华等人和日本大阪大学合作探究了三维焊接温度场的特点和提高精度的若干途径[12]。2001年清华大学赵海燕等[13]利用分段移动的带状高斯热源模型和单元死活技术对多层焊及焊缝金属熔敷进行了数值模拟，并且利用并行计算技术大大提高了计算效率，在实际应用中等到了满意的结果。

1.4 焊接接头组织的模拟方法和研究现状

整个焊接过程中，温度快速升高和快速降低，这样急剧的变化使焊接接头的组织也跟着发生急剧的变化，这样就使接头的强度和韧性发生变化。由于焊接过程的复杂性，不能直接建立物理模型和数学模型。为了能够动态地再现焊接接头的组织变化过程，人们希望能够对焊接温度场及其组织进行模拟，随着人们对焊接过程的了解和计算机模拟技术的发展，组织模拟取得了很大的发展，通过温度场和组织模拟，可以预测焊接接头的微观形貌、各相的比例。焊接接头的组织模拟主要涉及热影响区的晶粒生长、相变和扩散，及熔池内液态金属凝固过程中的形核与生长，溶质再分配等[14]。

Oldfield于1966年根据金属的传热及形核生长理论建立了晶粒生长模型[14]

。焊接领域里，组织模拟起步相对较晚，但近10年的发展非常迅速。Haidemeno

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poulos通过将热力学和动力学模型耦合，模拟激光焊中HAZ扩散相变过程，计算焊接热过程中强化相的体积分数及平均晶粒尺寸[14]。Huziker等人则根据部分解析法所预测出的热循环曲线来计算焊缝中心线处晶粒生长情况[15]。

基于概率模型的Monte Carlo(MC)方法及Cellular

Automaton(CA)方法在模拟晶粒生长时，能量上的计算方法均是以晶粒生长物理原理为基础，按照概率的方法通过自由能增量进行计算。而目前应用于组织模拟的另一种方法-相场法，则在能量守恒的基础上通过计算组织转变过程中界面形态的变化实现组织模拟[14]。目前这几类方法都已得到了广泛的应用。但是目前在这方面的研究仍然存在一些问题，改进的方向主要有：

（1）寻求优化的三维组织模拟模型，提高计算速度和计算精度； （2）实现晶粒长大过程的动态再现功能。

（3）实现一模多用，即一个模型通过改变相关参数进而能够用于其他模型的计算。

1.5 课题研究的意义

两焊件相对平行的接头称为对接接头，这种接头从力学角度看是较理想的接头型式，受力状况较好，应力集中较小，能承受较大的静载荷或动载荷，是焊接结构中采用最多的一种接头型式，基本上在所有的焊接领域都有应用。与T型焊接接头相比，其温度场、应力场要简单的多，拥有对称性。目前对对接焊接接头的数值模拟比较多，相关的研究资料也比较丰富，对于我们这些刚刚学会使用SYSWELD软件的初学者来说，有着一定得指导意义。

本论文研究目的在于通过采用SYSWELD软件来模拟不同焊接参数下形成的低合金钢焊接接头的组织特点和其焊缝组织转变规律，从而通过控制热输入，达到控制低合金钢组织得到优质焊接接头。这样在实际低合金钢的焊接工程中就可做到通过控制这些焊接参数，获得合理的焊接热循环以保证获得优质接头和焊接结构件安全，同时避免以往仅凭经验控制焊接参数最后再检验焊接性能的盲目性了。因此对低合金钢焊接接头的仿真模拟是具有其现实价值的。

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1.6 本文的主要研究内容

本文采用数值模拟软件SYSWELD对Q345D平板对接焊接接头进行仿真模拟。内容主要有以下几点：

（1）对SYSWELD软件的操作过程进行了说明，为了改善和提高模拟的精确性，采用了适宜于CO2焊的双椭球体热源模型，使用SYSWELD自身具有的热源校核工具，输入选定的的焊接工艺参数和S355J2G3的部分热物理性能参数对热源进行了校核。

（2）对对接接头焊件进行三维有限元建模。由于本课题主要是研究温度场。因此只进行温度场的数值模拟计算。

（3）对温度场模拟结果进行分析，得出温度场的动态变化云图、沿焊缝方向和垂直焊缝方向的点的热循环曲线和焊缝组织在不同焊接速度下的变化特点。

1.7 本文所使用软件SYSWELD软件介绍

SYSWELD的开发最初源于核工业领域的焊接工艺模拟，当时核工业需要揭示焊接工艺中的复杂物理现象，以便提前预测裂纹等重大危险。在这种背景下，1980年，法国法码通公司和ESI公司共同开展了SYSWELD的开发工作。由于热处理工艺中同样存在和焊接工艺相类似的多相物理现象， 所以SYSWELD很快也被应用到热处理领域中并不断增强和完善。随着应用的发展，SYSWELD逐渐扩大了其应用范围，并迅速被汽车工业、航空航天、国防和重型工业所采用。 1.7.1 SYSWELD软件特点

SYSWELD软件融合了材料的CCT曲线，从而利用该软件可以分析焊接过程中接头的组织 。它还考虑了晶相转变、晶相转变潜热以及晶相组织对温度的影响。计算的时候需要先计算温度场，在此基础上才能进行应力场的计算。因为温度场对应力场的结果有影响。

为方便专业使用，SYSWELD提供了三种简便适用的工艺操作向导:焊接向导、热处理向导和焊接装配向导。热处理向导可以模拟淬火、回火、渗碳、渗氮及碳氮共渗等热处理过程，同时可计算热处理件的硬度及其分布状态；焊接向导能模拟一些常见的焊接方法的焊接过程；焊接装配向导能模拟分析复杂组合结构件的残余应力应变。

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