对接焊残余应力的有限元分析

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对接焊残余应力的有限元分析摘要: 针对应用有限元方法进行焊接残余应力数值预报时模拟普遍存在的三维模拟过程复杂、 计算时间冗长、 计
算费用较高的问题， 通过引入焊接热循环过程的加热和冷却时间比， 提出了以线热源代替点热源的简化数值预
报方法， 使三维问题简化为二维问题进行数值模拟， 大大节省了计算时间。数值计算结果表明: 文中提出的焊接
残余应力的数值预报方法能满足焊接力学分析的精度要求， 节省了大量的计算时间， 可以应用于工程实际。
关键词: 对接焊过程; 残余应力; 数值计算模型; 有限元分析
中图分类号: TG404 文献标识码: A
Finite element analysis of butt- welding r esidual stresses
SUN Wen- ting ， WAN Zheng- quan
(China Ship Scientific Research Center， Wuxi 214082， China)
Abstr act : A simplified method is developed to overcome the shortcomings in ordinary finite element meth-
ods for welding process simulation and welding residual stress prediction，such as complicated process， long
running time and high cost. The method adopts the liner heat source instead of point heat source by intro-
ducing a time ratio of heating and cooling during the welding process，so that the 3- D problems are trans-
formed into 2- D problems and save the running time a lot.The numerical results show that the present
method is capable of predict welding residual stress in practical engineering and a large amount of running
time and computer resources are saved under the condition of quite high accuracy.
Key words: butt- welding process; residual stresses; numerical model; finite element analysis
1 引 言
焊接过程的技术核心通常是构件局部加热熔化， 随后是连续地冷却。由于焊接等局部加热及材料
本身受到的约束作用， 材料在温度较高时发生了塑性变形或相变在冷却后被保留了下来， 在构件内部
形成了-个自相平衡的内应力场， 即残余应力常残余应力的峰值往往达到或超过基体材料的屈服点
应力， 当这些焊接构件投入使用时， 它们所受载荷引起的工作应力与其内部的焊接残余应力相叠加，
将导致焊接构件产生二次变形和焊接残余应力的重新分布， 从而降低焊接构件的刚性和尺寸稳定性。
焊接构件在焊接残余应力和工作温度、 工作介质共同作用下， 还将严重影响结构和焊接接头的疲劳强
度、 抗脆断能力， 抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。因此， 对焊接残余应力进行预报、 测量和
分析， 掌握其产生和存在的规律性， 并采取相应的技术措施改善其分布特性， 对于提高焊接结构或接
头的承载能力， 延长使用寿命具有重要的工程实用价值。
对于焊接残余应力的研究早在上世纪 30 年代就已开始。H.O.奥凯尔布朗姆[1]
首先用图解的形式
收稿日期: 2006- 11- 14
作者简介: 孙文婷( 1981- ) ， 女， 中国船舶科学研究中心硕士研究生。