应力和变形分析（共7篇）
应力和变形分析 篇1
摘要：假设薄膜和基体界面处于理想结合状态, 基于应变协调理论, 采用有限元软件 (ANSYS8.0) 分析了不同膜基比 (hc/hs) 和开孔对氧化铝薄膜/铝合金基体系统热屈曲变形、热应力的影响。结果表明, 当矩形薄板发生热屈曲时, 曲率和热应力均随膜基比非线性变化。随着膜基比的增加, 曲率不断减小, 而薄膜和基体中的热应力表现出不同的变化趋势, 基体中的热应力随膜基比的增加而增加, 薄膜中的热应力随膜基比的增加而减小。当hc/hs<0.005时, 曲率受膜基比的影响非常大且曲线较陡;当hc/hs>0.005时, 曲率随膜基比的增加而缓慢减小。开孔能在一定程度上缓解系统的热屈曲变形, 但是这种缓解程度相对较小。无孔时系统中的热残余应力在面内基本上都是均匀分布的, 而开孔时系统中的热残余应力分布不再均匀, 特别是在小孔附近产生了严重的应力集中现象, 膜基比越小则应力集中现象越严重。
关键词：氧化铝薄膜,铝合金,热屈曲,变形,应力,有限元
0 前言
在铝合金基体上制备的氧化铝薄膜具有非常高的硬度、良好的耐磨性和耐热冲击性、极高的抗氧化性以及近乎完美的表面修饰等优异的力学性能[1,2], 故而广泛应用于汽车、农业、机械、微电子和医疗器械等工业领域[3,4,5,6]。然而, 铝合金基体上沉积的电镀氧化铝薄膜在使用过程中表面常常萌生大量的微观裂纹或存在宏观开裂现象, 甚至出现薄膜直接从基体上剥离而导致材料过早失效的现象。这些失效行为极大地限制了氧化铝薄膜的进一步应用。究其原因是铝合金基体与氧化铝薄膜材料之间的热力学性能不匹配, 导致薄膜和基体系统中产生热残余应力。过大的热残余应力会导致氧化铝薄膜力学性能的严重退化, 如薄膜自身的抗拉强度降低[7]和薄膜/基体界面的结合强度降低[8]。为了改善电镀氧化铝薄膜/铝合金基体系统的力学性能和延长其服役寿命, 对其热残余应力的研究就显得非常重要[9]。
1 有限元模型
假设薄膜与基体界面结合良好, 两者满足应变协调条件[10]。计算中基体选用4043Al合金薄板, 长度为50mm, 宽度为10mm, 厚度为0.5～1mm。采用硫酸电镀-阳极氧化工艺, 在4043Al合金基体上沉积单面氧化铝电镀硬质薄膜, 薄膜厚度为5～30μm。有关Al2O3和4043Al合金系统的力学性能参数如表1所示。
有限元计算过程中分别采用无孔和开孔2种模型, 其中开孔模型是在基体形心位置开一圆孔, 直径为1mm。考虑到载荷和结构在X向和Y向的对称性, 为简化计算过程, 只需选取体系的1/4部分进行有限元计算, 如图1所示。有限元分析中采用SHELL99壳单元[13]。对于单面薄膜, 可将SHELL99壳单元设定为2层计算, 在前处理过程中, 对薄膜和基体设置不同的材料常数和属性值。
物体由于热膨胀只产生线应变, 而剪应变为零, 这种由热变形产生的应变可以被看作是物体的初应变。本研究讨论稳态温度场中仅考虑温度载荷作用的轴对称涂层热应力问题, 无外加体载荷、面载荷和集中载荷作用, 故单元等效结点载荷阵为:
集成结构的刚度矩阵为:
undefined
总等效结点载荷列阵为:
undefined
对有限元建立的下列线性方程组进行求解:
Kae=P (4)
得到结点位移ae, 再根据结点位移求解单元应变和应力:
式中:εe是应变向量, σe是应力向量, ae是单元位移向量, B和D分别是应变矩阵和弹性矩阵。
故本研究的问题归结为通过求解相应的初应变引起的等效结点载荷解得由热变形引起的结点位移ae, 再通过结点位移ae求解得到热应力。
2 结果分析与讨论
2.1 热屈曲变形分析
通过有限元分析可得系统热屈曲时Z方向的位移值 (UZ) , 通过UZ又可进一步得到拱高值f;同理根据X方向位移值 (UX) 还可得到热屈曲弧段的弦长值l。带入式 (6) 即可计算出矩形薄板热屈曲时的曲率值ρ:
undefined
具体的计算结果如表2所示。表2中后2列数据分别对应当薄膜厚度或基体厚度变化时经有限元计算得到的矩形薄板无孔或开孔2种情况下的曲率值。
图2是5μm厚Al2O3/Al合金系统UZ随X坐标的变化示意图。图2中曲线1对应开孔时计算得到的UZ值, 曲线2对应无孔时计算得到的UZ值。可见在相同的温度载荷作用下, 无孔情况下的UZ值大于有孔时的UZ值, 即无孔时的屈曲程度更剧烈些。同时也说明基体开孔对薄膜/基体系统中热残余应力的再分配有很大的影响, 从而使热屈曲曲率发生变化。开孔对热残余应力的影响程度将在后面热应力部分进行讨论。
图3是无孔时Al2O3/Al合金系统热屈曲曲率随膜基比变化的关系。开孔时其曲率随膜基比的变化关系与无孔时情况类似, 故在此不再累叙。图3中存在2条曲线, 其中实心圆点曲线表示仅改变基体厚度 (0.5～3.0mm) 而保持薄膜厚度 (0.005mm) 不变时, 膜基比对曲率的影响;而空心方点曲线则表示仅改变薄膜厚度 (0.005～0.030mm) , 而保持基体厚度 (1.0mm) 不变时, 膜基比对曲率的影响。可见基体厚度的变化对热屈曲曲率的影响很大, 这种影响程度远大于仅改变薄膜厚度时。热屈曲曲率总体上是随着膜基比的增加而不断减小的, 当hc/hs<0.005时, 热屈曲曲率值较大, 且随膜基比的增加而快速减小;当hc/hs>0.005时, 热屈曲曲率值较小, 该值随膜基比的增加而缓慢减小。显然, 膜基比值对材料的设计具有一定的指导意义, 从材料变形的角度出发, 若想尽量减少或增加热载荷对材料变形的影响, 则应考虑适当的膜基比。
图4为保持薄膜厚度hc=0.005mm不变, 采用6种不同基体厚度经有限元计算得到的Al2O3/Al合金系统的曲率变化关系。图4中曲线1是基体上无孔时计算得到的曲率随基体厚度变化的关系, 而曲线2是矩形基体薄板中心开一小圆孔时计算得到的曲率随基体厚度变化的关系。可见, 在开孔和无孔情况下, 系统的热屈曲曲率值均随基体厚度的增加而快速增大, 即基体越厚系统在热载荷的作用下越不易屈曲。开孔在一定程度上能够缓解系统热屈曲变形, 表现在相同的膜基比下, 开孔时的热屈曲曲率值均大于无孔时的曲率值。
图5为保持基体厚度hs=1.0mm不变、改变薄膜厚度时计算得到的Al2O3/Al合金系统热屈曲曲率随薄膜厚度变化的关系。由图5可见, 不管是开孔还是无孔, 系统曲率均随薄膜厚度的增加而快速减小, 即在热载荷的作用下, 薄膜越厚, 系统的热屈曲变形越大。当薄膜厚度相同时, 开孔时系统的热屈曲曲率值要大于无孔时系统的热屈曲曲率值。这从另一个侧面也说明基体上孔洞等缺陷能缓解系统热屈曲变形, 但是这种缓解程度远不如改变膜基比时对系统变形的影响程度。
2.2 应力分析
图6是基体上无孔时5μm厚Al2O3/Al合金系统承受热载荷作用下体系中的等效应力云图。可见此种工况下, 无论是薄膜层还是基体层中的热残余应力在面内基本都是均匀分布的。薄膜层中热残余应力较大 (σc=730.1MPa) , 其值远大于基体层中热残余应力值 (σs=2.8MPa) , 这种差异主要源于薄膜与基体材料热物理性能的差异 (如弹性模量、伯松比、热膨胀系数、热传导率等) 。而基体上一旦开孔 (如图7所示) , 5μm厚Al2O3/Al合金系统中的热残余应力分布即变得不再均匀, 特别是在小孔附近产生了严重的应力集中现象。远离小孔的位置, 基体层和薄膜层中的热残余应力分布基本上还是均匀的, 但热应力大小有所改变, 此时σc≈657.1MPa、σs≈6.1MPa。
显然, 开孔导致了薄膜层中远离小孔位置的热应力减小, 这也就解释了前面分析系统热屈曲变形时开孔导致曲率增大以及能够缓解系统热屈曲变形的现象。薄膜层中小孔附近因为应力集中产生的最大热应力σc=1308MPa, 其中应力集中系数k=1.99。可见此时薄膜中热应力值远大于电镀Al2O3材料的抗拉强度 (σb=588MPa) [12], 如此大的热应力导致薄膜材料在小孔位置过早地开裂而失效, 故在工程应用中应尽量避免使用带有孔洞、裂纹、材质不均等缺陷材料。因为这些缺陷位置虽然在常规载荷作用下是安全的, 但在受热载荷作用时往往会产生严重的应力集中现象而导致材料过早失效。
图8是改变薄膜或基体厚度时膜基比对Al2O3/Al合金系统基体层中热残余应力的影响。由图8可见, 随着膜基比的增加, 开孔和无孔工况下基体层中的热残余应力均增加。无孔时σs=1.1～13.4MPa, 开孔时σs=2.2～28.0MPa, 均小于4043Al合金材料的抗拉强度 (σb=160MPa) 。
图9为改变薄膜或基体厚度时膜基比对Al2O3/Al合金系统薄膜层中热残余应力的影响。由图9可见, 无论开孔还是无孔, 薄膜层中的热残余应力值均随膜基比的增加而减小。当膜基比越小时, 缺陷附近的应力集中现象越严重, 无孔时σc=606.2～748.3MPa, 开孔时σc=1002～1368MPa。
3 结论
(1) 当矩形薄板发生热屈曲时, 曲率值和膜基比的关系表现为非线性特征。热屈曲曲率值总体上随膜基比的增加而不断减小。当hc/hs<0.005时, 矩形薄板的热屈曲变形较小, 曲率较大, 曲率受膜基比的影响非常大;当hc/hs>0.005时, 曲率值较小, 曲率随膜基比的增加而缓慢减小。
(2) 当膜基比相同时, 开孔时的曲率值均大于无孔时的曲率值, 反映出基体材料上若存在孔洞则能在一定程度上缓解系统的热屈曲变形, 但这种缓解程度远不如改变膜基比时对系统变形的影响程度。
(3) 随着膜基比的增加, 基体层中的热残余应力增加, 而薄膜层中的热残余应力值减小。当基体上无孔时, 薄膜层和基体层中的热残余应力在面内基本都是均匀分布的。薄膜层中热残余应力较大, 其值 (σc=730.1MPa) 远大于基体层中热残余应力值 (σs=2.8MPa) 。当基体上开孔时, 系统中的热残余应力分布不再均匀, 特别是在小孔附近产生了严重的应力集中现象, 且膜基比越小, 应力集中现象越严重。
应力和变形分析 篇2
核电用高压主汽阀是汽轮机上非常重要的组件。由于汽轮机核电用高压主汽阀的行程试验关系到高压主汽阀的运行精度, 从而影响主汽阀的工作精度。在做试验过程中, 需要对主汽阀阀座进行支撑, 因此所设计支撑座的强度是试验能否成功的基础。为了确定其变形情况, 便于确定结构的强度是否符合试验要求, 因此需要应用ANSYS软件对支撑座做有限元受力分析。
1 观察支撑座的结构和尺寸
支撑座的结构和尺寸如图1 所示, 底部法兰直径为1000mm, 上部法兰直径为800mm, 高度为517.5mm, 自重约为480kg。结构分为上底板、下底板、筋板和滑道等, 滑道是用于在阀杆上穿有销钉限制阀杆绕轴旋转和沿着轴向移动。
考虑到与地面或者操作平台的连接要安全稳定的特点, 确定连接形式为地脚螺钉将其固定。工作台上表面与高压主汽阀操纵座用螺栓相连接, 其具体结构如图1 所示。
为了确定高压主汽阀操纵座支撑座的结构在受冲击承载的作用下是否会发生严重的变形, 现应用ANSYS的Mechanical APDL (ANSYS) 14.0对支撑座在规定的载荷的作用下进行变形情况分析, 观察其变形大小和发生巨大变形的位置, 并判断应力集中位置。按要求核电用高压主汽阀阀杆对支撑座的冲击载荷最大为30t, 按力计算约为300k N。为了快速建模, 需要应用Solid Works 2010进行支撑座的三维模型的设计。
2 应用Solid Works 2010 建立三维数据模型
打开Solid Works 2010, 选择适当的坐标系基准平面, 建立零件数据模型, 按实际尺寸建立支撑座的三维模型, 简化模型的非重要部分, 并将模型保存在任意盘英文路径cache下, 名称为part.sldprt。
3 应用ANSYS进行变形分析
首先应用Solid Works 2010 打开建立的part.sldprt模型文件, 判断是否需要优化和简化, 检查模型的正确性。打开Mechanical APDL (ANSYS) 14.0 进入操作界面, 分别定义Title和Jobname名称, 点击DBSave保存数据, 选File下的Save保存整个文件。点选File下的Import读取Solidworks 2010 保存的part.sldprt模型文件。
选择单元体类型为Solid Tet 4 node 285。设定实体的固有材料属性, 弹性模量为E=3.0×105MPa, 泊松比为0.3。选择网格 (Mesh) 命令进行划分网格, 选取整个支撑座实体, 设置完毕后点OK按钮确定, 网格划分效果如图2。
对整个实体模型施加固定约束, 选取直径为1000mm的底部为固定端, 因其固定于地面或工作平台。以滑道底端的两个下平面为受力平面, 因其受高压主汽阀阀杆的冲击力的作用, 冲击力为300k N, 方向为-fz。然后进行后处理, 应用Solve→Current LS命令进行求解, 生成结算数据进行分析。再选择General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu生成应变应力图如图3、图4。
可见受载荷后的支撑座的变形发生在滑道的两侧, 两侧变形量最大为5000mm, 变形量非常大, 刚度明显不够, 无法满足要求, 对实验结果有很大影响。
4 处理方式
ANSYS的模拟计算虽然只是理论的, 但结果具有很好的参考性。为此需要增加支撑座的刚度。经过分析解决办法有个:1) 支撑座需要和周围的纵向筋板牢固的焊接在一起 (采用连续焊接) , 这样可以很好地增加刚性;2) 在滑道底端垫上高强度高硬度材料的垫块来将力均匀地分散在底部的接触面上, 选用的材料是强度等级为590 的25Cr2Mo VA-II。
5 结语
综上分析, 运用Mechanical APDL (ANSYS) 14.0 合理的进行物体的单元类型的选择和网格形式的划分, 对于预先进行分析在受特定载荷的作用下其变形情况有着非常重要的意义, 通过变形量的求解, 避免了因设计结构和工艺的不合理对实验造成的不良后果。通过更改结构和工艺方法, 使实验顺利进行, 从而为试验数据的准确性提供了基础保障。
参考文献
[1]张洪才.ANSYS 14.0理论解析与工程应用实例[M].北京:机械工业出版社, 2013.
[2]姜勇, 张波.ANSYS7.0实例精解[M]北京:清华大学出版社, 2003
应力和变形分析 篇3
在电力建筑钢结构发展如火如荼的今天, 形式各异的焊接器械, 焊接方法日新月异, 焊接技术成了一个关键的课题。但在施工过程中, 由于焊接产生的焊接残余应力和残余变形, 严重的影响着工程质量, 安装进度和结构承载力 (即使用功能) , 因而急需采用合理的方法予以控制。
当我们用双手拉弹簧, 即对它施加一对大小相等方向相反的拉力时, 对弹簧来说, 这些力是从外界加于它的, 因而称为外力。在外力作用下, 弹簧被拉长, 此时我们一定会感到很费劲, 因为弹簧力图使它的形状保持不变, 且在其内部产生一种抵抗外力作用的力, 这种力叫做内力。当外力一旦消除, 由外力所引起的内力也就完全消失。
什么叫变形?变形是物体在一定的外力作用下所发生的形状或尺寸的变化。当外力去除后, 物体能恢复原来形状的变形, 称为弹性变形。弹簧在外力作用下的变形就是一个例子。当外力去除后, 物体不能恢复原来形状的变形, 称为塑性变形。一般物体受过大的外力作用后, 都会产生不同程度的塑性变形。变形的大小取决于所加的外力和物体本身截面积的大小。在同样截面积的情况下, 外力越大, 所引起的变形也越大。截面积大小不同的两个物体, 在受到相同外力作用下, 截面积小的物体, 发生的变形较大。物体单位面积所承受的力叫做应力。物体承受的外力越大, 引起的应力和变形也就越大。当物体在未受任何女叻时, 内部也存在应力, 这种应力称为内应力。内应力一般是由于物体加热和冷却不均匀而产生的。在内应力的作用下, 物体也会产生变形。钢结构经焊接后的变形就是一个典型例子。
钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部加热后又冷却凝固的热过程, 但由于不均匀温度厂, 导致焊件不均匀的膨胀和收缩, 从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。常见的焊接应力有:a.纵向应力。b.横向应力。c.厚度方向应力。常见的焊接变形有:a.纵向收缩变形。b.横向收缩变形。c.角变形。d.弯曲变形。e.扭曲变形。f.波浪变形。针对这些不同种类的焊接变形和应力分布, 追溯根源, 具体进行研究控制。
1 焊接变形的控制措施
全面分析各因素对焊接变形的影响, 掌握其影响规律, 即可采取合理的控制措施。
1.1 焊缝截面积的影响
焊缝截面积是指熔合线范围内的金属面积。焊缝面积越大, 冷却时收缩引起的塑性变形量越大, 焊缝面积对纵向及横向和角变形的影响趋势是一致的, 而且是起主要的影响, 因此, 在板厚相同时, 坡口尺寸越大, 收缩变形越大。
1.2 焊接热输入的影响
一般情况下, 热输入大时, 加热的高温区范围大, 冷却速度慢, 使接头塑性变形区增大。
1.3 焊接方法的影响
多种焊接方法的热输入差别较大, 在电力钢结构焊接常用的几种焊接方法中, 埋弧焊热输入最大, 在其他条件如焊缝断面积等相同情况下, 手工电弧焊居中, 二氧化碳气体保护焊最小。
1.4 接头形式的影响
在焊接热输入, 焊缝截面积, 焊接方面等因素条件相同时, 不同的接头形式对纵向, 横向及角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊, 角焊及对接焊。
1.4.1 焊接表面堆焊时, 焊缝金属的横向变形
不但受到纵横向变形的约束, 而且加热只限于工件表面一定深度而使焊缝的收缩同时受到板厚.深度.母材方面的约束。因此变形相对较小。
1.4.2 焊接T型角接接头和搭接接头时, 其焊
缝横向收缩情况与堆焊相似, 其横向收缩值与角焊缝面积成正比, 与板厚成反比。
1.4.3 对接接头在单道 (层) 焊的情况下, 其焊
缝横向收缩比堆焊和角焊大, 在单面焊时坡口角度大, 板厚上下收缩量差别大, 因而角变形较大。
双面焊时情况有所不同, 随着坡口角度和间隙的减小, 同时角变形也减小。
1.5 焊接层数的影响
1.5.1 横向收缩:
在对接接头多层焊接时, 第一层焊缝的横向收缩符合对接焊的一般条件和变形规律, 第一层以后相当于无间隙对接焊, 接近于盖面焊道与堆焊的条件和变形规律相似, 因此。收缩变形相对较小。
1.5.2 纵向收缩:
多层焊接时, 每层焊缝的热输入比一次完成单层焊时小的多, 而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束, 因此, 多层焊时的纵向收缩变形比单层焊时小的多, 而且焊的层数越多, 纵向变形越小。
在工程实践中, 由于各种条件因素的综合作用, 焊接残余变形的规律比较复杂, 了解各因素单独作用的影响便于对工程做具体的综合分析。所以, 了解焊接变形产生的原因和影响因素, 则可以采取以下控制变形的措施:a.减小焊缝截面积, 在得到完整, 无超标缺陷焊缝的前提下, 尽可能采用较小的坡口尺寸 (角度和间隙) 。b.对屈服强度345Ma以下, 淬硬性不强的钢材采用较小的热输入, 尽可能不预热, 或适当降低预热, 层间温度;优先采用输入较小的焊接方法, 如CO2气体保护焊。c.厚板焊接尽可能采用多层焊代替单层焊。d.在满足设计要求情况下, 纵向加强肋和横向加强肋的焊接可采用间断焊接法。e.双面均可操作焊接时, 要采用双面对称坡口, 并在多层焊时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。f.T型接头板厚较大时, 采用开坡口角对接焊缝。g.采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。h.采用刚性夹具固定法控制焊后变形。i.采用构件预留长度法补偿焊缝纵向变形, 如H型纵向焊缝每米长可预留0.5mm~0.7mm。j.对于长构件的扭曲, 主要靠提高板材平整度和构件组装精度, 使坡口角度和间隙准确, 电弧的指向或对中准确, 以使焊缝角度变形和翼板及腹板纵向变形值与构件长度方向一致。k.在焊缝众多的构件组焊时或结构安装时, 要采取合理的焊接顺序。l.设计上要尽量减少焊缝的数量和尺寸, 合理布置焊缝, 除了要避免焊缝密集以外, 还应使焊缝位置尽可能靠近构件中和轴, 并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。
2 焊接应力的控制措施
构件焊接时产生的瞬时内应力, 焊接后产生残余应力, 并同时产生残余变形, 这是不可避免的现象。
焊接变形的矫正费时费工, 所以我们首先考虑的是控制变形, 往往对控制残余应力较为忽视, 长用一些卡具, 支撑以增加刚性来控制变形, 与此同时实际上增大了焊后的残余应力。
对于一些本身刚性较大的构件, 如板厚较大, 截面本身的惯性矩较大时, 虽然变形会较小, 但却同时产生较大的内应力, 甚至产生裂纹。
因此, 对于一些构件截面厚大, 焊接节点复杂, 拘束度大, 钢材强度级别高, 使用条件恶劣的重要结构要注意焊接应力的控制。控制应力的目标是降低其峰值, 使其均匀分布, 其控制措施有以下几种:
2.1 减小焊缝尺寸:
焊接内应力是由局部加热循环而引起的, 为此, 在满足设计条件要求的条件下, 不应加大焊缝尺寸和层高, 要转变焊缝越大越安全的概念。
2.2 减小焊接拘束度;
拘束度越大, 焊接应力越大, 首先应尽量使焊缝在较小的拘束度下焊接, 尽可能不用刚性固定的方法控制变形, 以免增大焊接拘束度。
2.3 采取合理的焊接顺序:
在焊缝较多的组织条件下, 应根据构件形状和焊缝的布置, 采取先焊收缩量较大的焊缝, 后焊收缩量较小的焊缝;先焊拘束度较大而不能自由收缩的焊缝, 后焊拘束度较小而不能自由收缩的焊缝的原则。
2.4 降低焊件的刚度, 创造自由收缩的条件。
2.5 锤击法减小焊接残余应力, 在每层焊道焊
完后, 立即用圆头敲渣小锤或电动锤击工具均匀敲打焊缝金属, 使其产生塑性延伸变形, 并抵消焊缝冷却后承受的局部拉应力。
但根部焊道, 坡口内及盖面层与母材坡口面相邻的两侧焊道不宜锤击, 以免出现熔合线和近缝区的硬化和裂纹。高强度低合金钢, 如屈服强度大于345Mpa时, 也不宜用锤击法消除焊接残余应力。
上所述, 在施工过程中, 一定要了解焊接工艺, 采用合理的焊接方法和控制措施, 以便减少和消除焊后残余应力和残余变形。在实践中不断总结积累焊接经验, 综合分析考虑的各种因素, 可以保证工程中的焊接质量。
责任编辑:赵丽敏
摘要：在施工过程中, 一定要了解焊接工艺, 采用合理的焊接方法和控制措施, 以便减少和消除焊后残余应力和残余变形。
关于焊接变形和焊接应力的探讨 篇4
关键词：焊接变形,焊接应力,焊接,温度
我国现阶段工业发展过程中, 焊接工作起到了非常重要的作用。各种各样的焊接工艺和焊接形式越来越多的被应用在实际的焊接工作过程中。同时焊接使用的工作机械也在不断的更新及发展。现在的焊接工作相较于以前的焊接工作已经有了非常大的发展和创新。因此现在工业发展过程中, 焊接被作为一个非常重要的课题进行专项研究。我们要分析焊接变形的原理及其危害, 同时还要找出焊接过程中焊接应力的出现原因。只有这样我们才能够有效的掌握焊接过程中的焊接质量, 同时观察焊接过程中的变化, 通过这些工作的开展, 我们才能够更加科学及有效的使用焊接这种技术, 发挥焊接技术的最大优势, 有效的防止焊接过程中出现的各种问题。
1焊接变形的概念
焊接变形主要是指在焊接过程中由于焊接工作而导致的焊接件变形。焊接变形的开始时间是焊接开始的一瞬间。焊接变形结束的节点是焊接结束后焊接件的温度降低到焊接初始温度。焊接变形有两种情况, 第一种是焊接过程中出现的焊接变形;第二种是焊接完成后出现的焊接残余变形。
2焊接应力的概念
焊接应力主要指的是焊接过程出现的焊接件内部的结构应力, 同时焊接完成后焊接件内部还会产生少量的焊接应力。焊接应力的出现也是在焊接开始的时候, 焊接应力会随着焊接的进行而发生变化, 焊接应力的分布没有规律, 会随着焊接的进行而随时发生变化。
3焊接变形及焊接应力出现的主要原因
关于焊接变形及焊接应力出现的主要原因的阐述和分析, 文章主要从四个方面进行阐述和分析。第一个方面是在焊接的过程中会出现焊接件受热不均匀的现象。第二个方面是在焊接过程中焊接金属会出现收缩的问题。第三个方面是在焊接过程中被焊接件会出现金属组织变化的问题。第四个方面是在焊接的过程中有可能受到焊接件的刚性约束。下面进行详细的阐述和分析。
3.1原因一:在焊接的过程中会出现焊接件受热不均匀的现象
根据相关的研究得出焊接过程中出现焊接应力及焊接变形主要的根源问题就是焊接过程中的受热不均匀。焊接件焊机的位置由于焊接工作的进行而出现热涨情况, 但是没有焊接的位置由于没有热涨现象从而阻止了热涨变形。这样就会在焊接结束后出现严重的焊接变形、同时还会出现较大的焊接应力。
3.2原因二:在焊接过程中焊接金属会出现收缩的问题
焊接工作主要就是要融化焊接木材然后再进行金属填充, 在常态下是一种全塑状态, 在焊接过程中只会出现自身的变形而没有带动或者拉动其他的金属变形, 进而会发生金属的收缩现象, 出现焊接变形。
3.3原因三:在焊接过程中被焊接件会出现金属组织变化的问题
焊接过程有长有短, 但是针对每一个位置的金属而言是非常短暂的, 在金属还没有来得及出现或者发生相变的情况下, 焊接过程已经结束, 高温极短, 冷却极快, 这样就会出现金属组织出现相应的不良变化, 进而出现焊接变形同时产生焊接应力。
3.4原因四:在焊接的过程中有可能受到焊接件的刚性约束
焊接件本身存在的刚性约束同焊接过程中出现焊接应力及焊接变形有着至关重要的关联, 焊接件的刚性约束同焊接变形及焊接应力出现的概率成反比。刚性约束越大, 出现焊接变形及焊接应力的概率越小。
4在焊接的过程中对于焊接变形及焊接应力的有效预防及控制的相关措施
关于这方面的阐述和分析, 文章主要从两个方面进行阐述和分析。第一个方面是焊接变形的控制预防措施。第二个方面是焊接应力的控制预防措施。下面进行详细的阐述和分析。
4.1焊接变形的控制预防措施
关于焊接变形的控制预防措施的阐述和分析, 文章主要从两个方面进行阐述和分析。第一个方面是设计层面的预防措施。第二个方面是工艺层面的预防措施。下面进行详细的阐述和分析。
4.1.1措施一:设计层面的预防措施
在设计过程中, 要有意识的减少焊接缝的数量及焊接缝的施工尺寸。同时最为重要的是要防止焊接缝集中出现在一处。文章建议焊接的位置最好选择在焊接件的中间位置, 这样就会由于对称而减缓或者减轻焊接变形及焊接应力。
4.1.2措施二:工艺层面的预防措施
(1) 焊接过程中可以使用反变形的方法来预防焊接变形。 (2) 焊接过程中应该合理科学的选择焊接的先后顺序。 (3) 焊接过程中应该使用恰当的焊接方法。
4.2焊接应力的控制预防措施
关于焊接应力的控制预防措施的阐述和分析, 文章主要从两个方面进行阐述和分析。第一个方面是焊接过程中使用合理科学的焊接顺序。第二个方面是焊接过程中应该有意识的预留足够的焊接缝来保障焊接过程中的自由收缩。
4.2.1措施一:焊接过程中使用合理科学的焊接顺序
收缩量最大的焊缝应当先焊。因为先焊的焊缝收缩时受阻较小, 故应力较小。平面上的焊缝焊接时, 要保证焊缝的纵向和横向 (特别是横向) 收缩不要受到较大的约束。
4.2.2措施二:焊接过程中应该有意识的预留足够的焊接缝来保障焊接过程中的自由收缩
缓和槽减小应力法:厚度大的焊件刚性大, 焊接时容易产生裂纹, 在不影响结构强度性能的前提下, 可以采用在焊缝附近开缓和槽的方法来减小焊接应力, 避免裂纹的产生。
5消除焊接过程中焊接变形及焊接应力的相关方法
关于消除焊接过程中焊接变形及焊接应力的相关方法的阐述和分析, 文章主要从三个方面进行阐述和分析。第一个方面是在焊接工作实施之前要对焊接变形进行相应的矫正处理。第二个方面是在焊接工作中, 应该做到对焊接件进行应力退火。第三个方面是在焊接工作中, 应该做到对焊接件进行机械拉伸处理。下面进行详细的阐述和分析。
5.1方法一:在焊接工作实施之前要对焊接变形进行相应的矫正处理
在钢结构加工之前, 首先考虑采取各种有效措施防止或减小焊接变形, 但在实际施工中由于某些原因, 焊后结构会发生了超过产品技术要求所允许的变形, 这样就必须设法矫正变形, 使之符合产品质量要求。
5.2方法二:在焊接工作中, 应该做到对焊接件进行应力退火
在焊接过程中, 焊接应力退火又可以称之为高温回火, 焊后钢件加热温度为500~650℃, 可进行整体去应力退火, 也可以局部退火。
5.3方法三:在焊接工作中, 应该做到对焊接件进行机械拉伸处理
焊接后的机械拉伸就是对焊件施加载荷, 使焊缝区产生塑性拉伸, 以减少其原有的压缩塑变, 从而降低或消除应力。如:压力容器的水压试验。
6结束语
在工业生产中, 焊接工作的有效科学发展能够推动我国的机械行业的健康发展, 因此我们在焊接工作进行过程中, 一定要注意焊接的质量, 同时对于影响焊接质量的各种因素给予及时的发现并且处理, 只有这样我国的焊接工作才能够有更好更快的发展。
参考文献
[1]张士相, 王承福, 闫玉芹.焊工[M].中国劳动社会保障出版社, 2002.
[2]焊接手册——材料的焊接[M].北京:机械工业出版社, 2003.
[3]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京:机械工业出版社, 2002.
[4]中国机械工程学会焊接学会.焊工手册[M].北京:机械工业出版社, 2001
采煤机摇臂壳体应力和变形指标 篇5
关键词：采煤机摇臂壳体,应力,变形指标
1 概述
摇臂是采煤机的重要部件, 由于采煤机摇臂壳体的工作载荷不定, 不是静载荷, 工作存在随机性, 所以难以模拟真实情况下的工作状态。
因此, 采用类比法, 试图通过对摇臂壳体建立标准加载和约束条件, 给出摇臂壳体的应力和变形的标准, 以对新研发产品提供结构设计依据。
通过对几个摇臂壳体在所设定的最大载荷下的加载计算, 总结出这些部位应力值的范围, 计算出特定轴承安装孔的变形量的大小, 以此来涵盖摇臂设计中的结构应力范围和变形范围。
2进行载荷计算的方法及所取的系数
3 强度和刚度计算中加载和约束方法
参照图1, 认为摇臂壳体承受的推进阻力和截割阻力作用点, 在与滚筒同心的轴线上, 横向位置在滚筒长度方向的中点。轴向力作用点的纵向位置在滚筒轴心前方, 距离为滚筒半径的0.785倍, 横向位置在滚筒长度方向的中点。约束1:上销轴耳片和下销轴耳片可以绕各自的轴线旋转, 轴线不能平动, 但可以沿轴线方向移动。约束2:摇臂销轴耳片的侧面台阶固定, 限制摇臂的横向位移。摇臂的载荷作用方式:假设摇臂壳体的载荷为集中力通过滚筒、行星轮减速机构等作用到摇臂壳体相关连接面上, 由于本计算不考虑行星轮减速机构的强度, 因此, 在计算出的载荷作用点位置建立空间载荷节点, 用ANSYS软件的多点约束单元 (MPC184) 连接载荷点和作用面上的各节点, 这种单元相当于刚性的连接梁, 在载荷节点上施加载荷, 这样载荷就理想地传递到作用面上, 从而完成在结构上的加载。由于有的模型过于复杂, 以致单个模型在ANSYS中无法计算, 因此采用了先将模型分为两个或三个部分, 分别进行网格剖分, 剖分后再在ANSYS中使用节点重合方法进行连接的计算策略, 以满足计算硬件的限制。由于在载荷计算中, 各机型摇臂的质量数据不全, 而且质量分布情况也很难估计, 考虑到在本次计算所假定的载荷组合作用下, 重力的作用是减少载荷扭矩, 忽略重力会减少结构受力, 因此在本次计算中不考虑重力的作用。这会带来计算结果的应力和变形均较实际值增大。
4 应用计算结果进行新研机型强度、刚度指标评定工作的建议
要使用计算的结果用于新产品研发过程的指导, 应组合使用相应机型的《摇臂壳体强度、刚度分析报告》、《摇臂壳体约束及载荷示意图》以及轴承安装孔轴心位移计算MATLAB程序等, 以获得详细的已完成的计算机型的计算结果, 必要时, 还应对数个机型的计算结果进行比对贺分析。应用计算结果进行应力和变形指标评定的基本分析计算流程:
4.1根据“进行载荷计算的方法及所取的系数”中的公式和系数计算结构承受的计算载荷。
4.2建立需要计算的机型摇臂壳体的PROE模型, 在模型建立过程中, 应对其进行适当的简化, 比如, 对于不影响结构承载能力的外缘倒圆, 倒角进行简化处理, 目的是减少计算规模, 减少计算时间。
4.3将PROE模型导入ANSYS中, 对模型进行进一步的处理, 使之适于网格划分。在网格划分遇到困难时, 可以采用分别剖分后再合并模型的方法进行, 只要保证划分区域不经过计算关心区域即可。
4.4划分网格, 网格一般采用SOLID, 采用自由划分网格方式, 刚性连接梁单元采用MPC184, 按照“4强度和刚度计算中加载和约束方法”中的方法, 并结合具体摇臂壳体的安装连接方式的不同, 对结构加载和约束。
4.5进行计算的设置, 加载计算, 观察计算结果, 并对要计算的轴承安装面部位表面的节点的位移值等进行整理和分析, 必要时可以借助MATLAB等其他软件进行计算和分析、绘图。
4.6对新机型摇臂壳体的应力和变形进行校核, 考虑到数值计算的精度, 可取±10%的范围, 比该范围数值小的, 可以认为其强度、刚度偏于保守, 比该范围数值大的, 可以认为其强度和刚度需要加强。
5 结论
由于采煤机摇臂壳体的载荷计算经验积累较少, 而摇臂壳体载荷的计算公式的系数选取的范围又过大, 前述计算的准确性有待实践检验。强度计算结果可以直观地通过观察壳体的工作过程和工作后的状态定性地判断, 而轴承安装孔轴线位移数值是不直观和不易测量的, 如果能很好地运用将对提高摇臂壳体及其中传动系的工作性能具有重要意义。随着计算经验的积累, 其准确性会不断提高, 并对实际新产品设计过程具有更大的指导意义。
参考文献
[1]刘春生, 于信伟, 任昌玉.滚筒式采煤机工作机构[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社.2010.
[2]李贵轩, 李晓豁著.采煤机机械设计[M].沈阳:辽宁大学出版社, 1994.
[3]王咏梅, 李春茂, 张瑞萍编著.Pro/E Wildfire5.0[M].北京:清华大学出版社.2011.
浅谈焊接变形和应力的产生及预防 篇6
焊接技术自1882年出现到如今已广泛应用在国民经济的各种领域, 对焊接技术的研究也是日新月异。其中很重要的一项就是如何防止和减少焊件的变形和焊接应力。
1 产生变形和裂纹的原因
热胀冷缩是自然规律。金属在受热后就要膨胀, 冷却时体积缩小, 不同金属或合金都有不同的线膨胀系数和收缩率。焊件在焊接加热时的膨胀和焊后冷却的收缩大小, 取决于不同金属的线膨胀系数和温度的高低, 以及不同金属的收缩率。它是影响焊件变形的裂纹的一个因素, 但主要的是在焊接过程中焊件温度分布的不均匀而产生的内应力形成变形和破裂。尤其是在焊接过程中, 焊件部位形成熔池的焊缝金属和过热区与焊件其它部位温度相差悬殊。在焊接加热时, 高温金属的膨胀, 受到周围低温金属的压缩应力的作用, 而在冷却的过程中高温金属收缩受到低温金属的牵制, 又产生了拉应力致使塑形金属焊件变形, 脆性金属焊件破裂的主要原因。
2 焊接应力与变形的关系
在焊1-接1过程中, 焊件受到电弧不均匀的加热, 受热区域的金属膨胀程度也不同, 此时产生的内应力及变形是暂时的, 而焊接完毕待焊件冷却后, 剩余的内应力及变形就称为残余应力与变形, 简称焊件应力与变形。
1) 焊接应力根据空间位置和相互关系可分3种:2-2
(1) 单向应力 (如图1-1) 。焊接薄板的对接焊缝及在焊件表面上堆焊时, 焊件存在的应力是单方向的。
(2) 双向应力。在焊接较厚板时, 焊件存在的应力虽不同向, 但均在一个平面内, 即是双向的。
(3) 三向应力:当焊接厚大焊件或在三个方面焊缝的交叉处, 三向应力都存在。单向应力对焊件的强度影响较小, 而焊缝中存在的双向应力和三向应力对焊件的强度及冲击值都有很大的影响。
2) 焊接变形。焊接变形的种类很多, 根据焊接变形对结构的影响可分为整体变形和局部变形。整体变形包括纵向缩短、横向缩短、弯曲变形及扭曲变形。局部变形包括角度变形、波浪变形。
在焊接结构中, 焊接应力和变形往往是同时存在的, 又是相互制约的, 要求的焊接结构既不存较大的残余变形, 又不允许有大的焊接应力的存在。
3 防止和减少焊接结构变形
3.1 选择合理的装焊顺序和焊接顺序
装焊顺序和焊接顺序对焊接结构变形的影响以工字钢焊接为例, 如图 (4-4)
图 (4-4) 是所示工字梁结构简图。如果按图 (4-4d) 所示边装边焊的方法, 由于焊T字接头时焊缝1、2都处在X-X的下侧, 就会造成整个结构长度方向发生上拱, 当再装上1块上盖板后, 在焊接3、4缝时的整个工字梁的钢性增大, 所以变形仍由1、2焊缝引起上拱。如果按图4-4c所示总装后焊接的方法, 由于焊缝1、2和3、4在焊接的刚性基本上相互抵消, 最后工字梁将保持平直的状态。
3.2 反变形法
对于厚度较小的板件, 焊接时通常采用反变形法。反变形法就是在焊前先将工件与焊接变形相反的方向进行人为的变形。如图 (5-5) 以厚度8~12mm的钢板V形坡口单面对接焊为例
可以看出, 图 (5-5a) 图中没有用反变形法的两块钢板焊接口两接钢板形成角度为a的变形。而如图b所示将其变形的变形角提前反向预留, 则在焊后达到两块钢板平整的效果。
此种方法对角度a的预留量要根据板厚的尺寸相应制定。
3.3 刚性固定法
刚性固定法又称抑制法。这种方法就是根据焊件的结构、变形部位及方向用夹具等强制固定的方法来防止焊件的变形。这种方法对于焊接2mm以下厚度的薄板长焊缝非常有效。但注意的是, 刚性固定法虽然能显著减少变形, 但却阻碍焊件的自由收缩, 焊后将在结构中出现较大的焊接应力。所以对易淬火变得硬脆的中碳钢及铸铁焊件不易采用。
4 减少焊接应力的方法
焊接应力往往使焊件的许用应力降低, 疲劳程度下降, 故防止或减小焊接应力在焊接工艺中极为重要。上面提到的合理选择装焊和焊接顺序虽能减少一部分焊接应力, 但对于一些焊件我们还得采用其他的方法来尽量消除其焊接应力。在这里我着重讨论预热法和加热“减应区”法。
1) 预热法。这种方法是对焊件整体进行加热, 一般加热到150~350℃, 其目的是减少焊接区和结构总体尽可能的均匀冷却, 从而减少内应力。这种方法对小型的脆性易裂的材料尤为适用。但预热温度值应视金属材料、结构刚性、散热情况的不同而异。
2) 加热“减应区”法。这种方法是选择结构的适当部位以高温加热使之伸长, 加热这些部位以后在焊接或补焊原来刚性很大的焊缝时, 焊接应力可大大减少。这个加热的部位叫做:减应区“。这种方法与整体加热相比较加热成本大大降低, 而且减少应力的效果也极为显著。如图 (6-6) 以焊接起重机大齿轮的轮辐板为例:厚度较薄的两块轮辐板, 要与厚度轮大的轮缘和轮毂焊成一体, 且轮缘为合金铸钢, 四条环缝焊完时会造成两块轮辐板温度显著上升, 而轮缘和轮毂焊后温度不高。整个结构在焊接过程中, 特别是焊后冷却过程中, 靠轮毂环缝中产生的是压应力, 而靠轮缘环缝中产生巨大的拉应力, 若不采取措施就会在受拉区产生严重的裂纹。
根据以上分析, 我们采用加热“减应区”法, 对轮缘进行加热, 轮缘受热后周长增大, 相应的直径亦增大, 环焊缝隙加大, 焊后就可以使环焊缝的焊接拉应力大大减小, 甚至可能变为压应力。这对避免焊缝区的裂纹很有利。
这种方法在实践操作中, 对减应区部分及加热温度的控制要准确。
对于消除焊接应力的方法还有很多, 如预留焊缝法、锤击法等, 只要结合实际选择合适的方法, 就能有效的减少焊接应力的产生。
应力和变形分析 篇7
焊接变形是焊接时在金属构件中产生不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服限,使局部区域产生的塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后,在构件内就产生了新的内应力。这种内应力是温度均匀后残存于构件中的,所以称为残余应力,由此产生的焊接变形就称为焊接残余变形[1]。由于焊接变形对产品质量的重要影响,国内专家做了大量工作,如陈建波等[2]运用通用有限元软件ANSYS,建立三维有限元模型,完成了对大型复杂结构多道焊的热弹塑性有限元分析,预测了结构的焊接变形,为控制焊接变形提供了很好的理论依据。曾志斌等[3]结合南京长江第三大桥钢塔的制造,对比已往的经验公式,开展了厚板足尺模型对接焊接变形试验研究。汪建华等[4]应用固有应变有限元的理论和方法预测焊接变形,通过工程成功实例说明,该方法对于预测大型复杂结构焊接变形十分有效。众所周知,焊接过程中产生残余应力可能会降低桥梁的承载能力和疲劳强度,甚至诱发裂纹导致灾难性事故。研究焊接残余应力对桥梁疲劳强度和使用寿命的影响无疑具有非常重要的意义。
1 工程简介
上海闵浦二桥是1座公轨两用一体化双层特大桥,上层为二级公路,双向4车道,下层为双线轻轨(上海轨道交通5号线闵奉段),全长为4.6 km。主桥为独塔双索面双层钢桁架斜拉桥,跨径布置为38.25 m+147 m+251.4 m,是目前国内最大的公轨两用双层斜拉桥,也是世界同类型双层桥梁中跨度最大的。闵浦二桥主桥总体鸟瞰图及标准横断面见图1、图2。桥塔为钢筋混凝土H型桥塔,主梁为钢板桁
结合梁形式,大节间距三角形桁架,箱形截面杆件,全焊接节点,整体节段架设,上、下层桥面为正交异性钢桥面。闵浦二桥主桥采用带加劲肋的箱形弦杆组成大节间距、全焊整体节点连接的钢桁架结构,这是首次在国内使用全焊接整体节点。全焊接整体节点的杆件刚度大、约束度大,对焊后的变形有较大的约束作用,因而会产生较大的约束应力,另外焊接过程中存在较多的残余应力,如果焊接的塑性、韧性差,应力重分布能力弱,细节处理不当,极易产生裂缝,因此需要对主桁结构的整体焊接节点进行试验和非线性有限元研究,以确保结构的安全。
2焊接变形和残余应力的热弹塑性有限元分析
2.1 热弹塑性有限元分析方法
20世纪70年代,日本上田幸雄等首先以有限元为基础,提出了考虑机械性能随温度变化的热弹塑性分析理论,导出了分析所需要的各个表达式,从而可以详细地研究移动热源下的热弹塑性性能及焊接接头的应力、应变过程,使复杂的力学行为分析成为可能。经过近30 a的发展,热弹塑性有限元分析已经成为研究焊接过程最重要的方法,应用热弹塑性有限元方法可以模拟焊接热循环过程中的动态力学行为,模拟结构焊接残余应力和变形的产生过程,探讨各种因素的影响,详尽地掌握焊接残余应力和变形的大小以及分布。应用热弹塑性有限元方法可以获得产生变形的“源”——固有应变;热弹塑性方法由于计算资源和收敛性等方面的限制,目前还不能在大型结构的分析中完全实现。与之相比,固有应变法是一种既能解决大型复杂结构,又比较经济的预测焊接变形方法,有很大的实用意义和发展前途。固有应变法是由残余塑变法发展而来的。残余塑变理论认为焊接加热过程中焊缝和近缝区金属热膨胀受到周围较冷金属的拘束,从而产生压缩塑性应变。冷却过程中该压缩塑性应变被拉伸抵消一部分,但焊后仍残留部分压缩塑性应变,称为残余压缩塑性应变。该应变被认为是产生焊接残余应力和变形的根源,并用来分析和预测焊接残余应力及变形。
采用上海交通大学与日本大阪大学联合开发的固有变形焊接变形分析的专用软件(WSDP)。该软件只要将焊缝的位置和焊缝的截面积(或者焊缝的横向收缩、纵向力和角变形)输入,就可以获得复杂焊接结构中的焊缝的固有变形,并用弹性板单元有限元法计算其焊接变形。
2.2 有限元模型建立
本研究以整体式焊接钢桁梁的上、下弦节点(I型)为对象。上、下弦节点(I型)由节点板(N1)、下翼板(N2)、上翼板(N3)和上翼边板(N3)等组成,所有结构都采用Q345qD钢。上下弦节点(I型)的三维立体模型见图3。
2.3 热弹塑性有限元模型
分别针对I型节点的不同焊接部位进行模拟,对该节点中的对接接头、T形接头和整体结构焊接过程进行了数值模拟。对接接头焊接模型的尺寸为350 mm×270 mm×15 mm;网格划分后,单元数为8 300,节点数为10 285。约束条件:面XOZ上加对称约束UY=0;A点UX=0,UZ=0;B点UX=0,对接接头有限元模型见图4。下弦节点(I型)N2和N1节点板组成的T型接头模型尺寸为350 mm×500 mm×300 mm。为了减少单元数而不影响计算精度,采用了过渡法划分有限元网格,划分网格后的单元数为6 230,节点数为8 023。下弦节点(I型)下翼板N2和节点板N1焊接简化为一个T型接头,同样采用多层焊工艺,下弦节点(I型)的有限元模型见图5。下弦节点(I型)K型接头模型的尺寸为4 000 mm×1 200 mm×2 400 mm;划分网格后的单元数为62 230,节点数为86 023。对于厚板需要使用多层焊工艺,下弦节点(I型)模拟的网格模型见图6。
采用基于固有应变的板单元对上弦节点(I型)和下弦节点(I型)进行焊接变形预测,上弦节点(I型)和下弦节点(I型)的板单元模型如图7所示。
3 有限元分析结果
3.1 热弹塑性有限元分析结果
3.1.1 对接接头焊接过程热弹塑性有限元模拟结果
根据实际工艺,选取对接接头焊接工艺合适参数,对对接接头3层焊接过程进行热弹塑性有限元模拟,得到各焊道加热至焊缝中心时的温度场,并得到焊接后的等效残余应力分布情况显示(见图8),焊接后的变形分布见图9。
从图8中可以看出,厚板多层焊,一般开不对称的双面坡口,采用双面焊接,这样对焊接残余应力有一定的抵消作用,从图8可以看出厚板多层焊的等效残余应力变化情况。从图9中可以看出,对开不对称双面坡口的厚板,进行双面焊接时,可以对焊接变形有一定的抵消作用。综合图8、图9可知,合理的多层焊方案,通过焊接变形和残余应力的相互抵消,可以起到减少焊接变形和残余应力的作用。
3.1.2 T形接头焊接热弹塑性有限元模拟
下弦节点(I型)下翼板N2和节点板N1焊接简化为一个T型接头,同样采用多层焊工艺,选取合适的焊接工艺参数,计算得到各焊道加热至焊缝中心时的温度场,并得到焊接后的残余应力分布情况以及焊接后的变形分布情况(见图10、图11)。
3.1.3 整体结构焊接过程热弹塑性有限元模拟
根据实际工艺,选取对接接头焊接工艺合适参数,对下弦节点(I型)下翼板N2和节点板N1多层焊接热弹塑性有限元模拟,得到焊接时的温度场,并得到焊接后的等效残余应力分布情况(见图12),可以看到图12中所示的焊接残余应力分布是合理的。计算可以得到焊接后的变形分布情况(见图13),通过大量的计算仿真,就可以找到最佳的工艺方案。
3.2上、下弦节点(I型)整体结构装焊后变形的固有应变法预测
上、下弦节点(I型)是一个比较复杂的结构,本研究将上、下弦节点(I型)进行简化,然后,用弹性板单元有限元法分别分析预测焊接变形。采用WSDP就可以获得复杂焊接结构中的焊缝的固有变形,并用弹性板单元有限元法计算其焊接变形。
3.3 控制焊接变形方法
本研究通过热弹塑性有限元分析和固有变形弹性板单元有限元分析,掌握了钢梁焊接变形的一些特征和规律,对制订合理的焊接工艺有一定的参考价值。根据计算结果,提出如下建议,以控制钢桁梁的焊接变形。
1)采用小的热输入量。
研究表明,横向变形以及纵向变形随着焊接热输入参数的增大而增大;角变形随着焊接热输入参数的增大先增大后减小。因此,减少热输入可以减少面内收缩变形,但对于角变形而言,过小的热输入可能对减少角变形没有太大的帮助。由于钢梁结构的焊接变形是以面内收缩变形为主,所以,建议在保证焊接质量和不影响生产周期的情况下,采用小的焊缝热输入。
2)减少接头的焊道数量。
研究表明,在同样的热输入前提下,焊接变形随着焊接道数的增加而增加。因此,建议采用大熔深的焊接方法,如窄间隙焊等,不开坡口,减少焊道数量。在必须开坡口多道焊时,应保证坡口的角度和直线度的偏差。
3)采用适中的焊接速度和焊脚长度。
研究表明,焊接速度和焊脚长度对焊接变形的影响类似于热输入。因此建议采用适中的焊接速度和焊脚长度。
4)注意自重的影响,合理选择支撑点。
研究表明,自重对最终的焊接变形影响非常大,不能忽视。因此,在制订焊接工艺时,必须考虑施焊的位置,并要选择合理的支撑点。
5)合理分配组焊单元,合理组对焊接。
不同的组焊单元以及组焊顺序对最终的焊接变形有很大的影响,合理分配组焊单元和合理组对焊接可以减少焊接变形。通过大量的计算和试验,肯定可以找到最佳的组焊单元和组焊顺序。本研究未优化组焊单元和组焊顺序,这可以作为今后进一步的研究题目。
6)注意波浪变形的控制。
在大板上焊接加强筋时,由于板较薄,焊接加强筋时容易产生失稳的波浪变形,应该引起重视,可以采用加临时补强梁的方式增加板的刚性,抵抗波浪变形。
7)减少重复修补次数。
重复修补焊会加大焊接残余应力分布区域,同时恶化焊接部位的组织和性能,故应尽量减少。
4 结语
1)采用热弹塑性有限元法探讨了上、下弦节点(I型)加工过程中常见熔透焊的焊接变形和残余应力。发现合理的焊接方案,通过焊接变形和残余应力的相互抵消,可以起到减少焊接变形和残余应力的作用。
2)得到了上、下弦节点(I型)的残余应力分布,为进一步分析残余应力对桥梁使用寿命的影响奠定了基础。
3)用固有应变为基础的弹性板单元有限元法实现了上、下弦节点(I型)加工局部以及整体模型的焊接变形预测,计算结果合理、可信。
4)本研究为焊接变形的控制、焊接工艺的优化以及最佳装配焊接工艺的制订提供理论依据。
摘要：以上海闵浦二桥中的典型整体焊接节点为背景,利用热弹塑性有限元法对节点的焊接残余应力进行预测。研究结果显示:合理的多层焊方案,通过焊接变形和残余应力的相互抵消,可以起到减少焊接变形和残余应力的作用;得到了上、下弦节点(I型)的残余应力分布;实现了上下弦节点(I型)加工局部以及整体模型的焊接变形预测;为焊接变形的控制、焊接工艺的优化以及最佳装配焊接工艺的制订提供理论依据。
关键词：钢结构桥梁,焊接变形,残余应力分布,热弹塑性有限元法
参考文献
[1]王振毅,马宏程.常见焊接变形的影响因素及预防措施.科技传播,2010(4下):56-57.
[2]陈建波,罗宇,龙哲.大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析.焊接学报,2008,29(4):69-72.
[3]曾志斌,史志强,史永吉.大型钢结构厚板对接焊接变形试验研究.中国铁道科学,2009(3):33-39.