变形和应力

变形和应力（共10篇）

变形和应力 篇1

由于高度集中的瞬时热输入, 在焊接过程中以及焊后将产生非常大的焊接应力与变形。焊接应力与变形的计算是以焊接温度场的分析为基础的, 同时也考虑到了焊接区组织转变对于应力-应变场所带来的影响。热弹塑性分析是在焊接热循环的过程中通过一步步跟踪热应变行为来计算热应力与应变的。随着大型有限元软件的开发并在实际应用中取得了很好的效果, 这种方法被越来越多的学界学者所采用。本文也是基于这一理论, 借助于有限元软件[28]在计算机上实现对焊接应力与变形的模拟研究。

1 热弹塑性分析的特点和假定

热弹塑性问题是一个热力学问题。作为热力学系统的焊接材料, 其自由能密度不仅与应变有关, 而且还与温度有关。也就是说, 力学平衡方程中有与温度有关的项。从能量上看, 输入的热能在使焊接材料温度上升的同时, 还由于结构的膨胀变形做功而消耗一部分。这时, 在热传导平衡方程中, 要增加与应力有关的项。因此, 严格的说, 温度场与应力场是相互耦合的。不过这种祸合效果除个别特殊情况外, 一般都很小, 而且焊缝附近的温度变化很大, 材料的各种物理性能也相应变化很大, 这种影响与上述耦合效应相比要大得多。所以就焊接的热弹塑性而言, 取非耦合的应力场和温度场是合适的[28]。

在热弹塑性分析时有如下一些假定:

(1) 材料的屈服服从米赛斯 (Von Mises) 屈服准则;

(2) 塑性区内的行为服从塑性流动准则和强化准则;

(3) 弹性应变、塑性应变与温度应变是不可分的;

(4) 与温度有关的力学性能、应力应变在微小的时间增量内线性变化。

2 屈服准则

屈服准则是一个可以用来与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态的标量表示。因此, 知道了应力状态和屈服准则, 程序就能确定是否有塑性应变产生。在多轴应力状态下, 屈服准则[29]可以用下式来表示:

式中:σe——等效应力;σy——屈服应力。

当材料的等效应力超过材料的屈服应力时, 将会发生塑性变形。Von Mises屈服准则是一个十分通用的屈服准则, 尤其适用于金属材料。对于Von Mises屈服准则, 其等效应力[26]为:

式中:σ1, σ2, σ3——三个主应力。

3 流动准则

流动准则描述了发生屈服时, 塑性应变的方向, 也就是说, 流动准则定义了单个塑性应变分量随着屈服是怎样发展的。流动准则[29]由以下方程给出:

式中:λ——塑性乘子 (决定了塑性应变量) ;

Q——塑性势, 是应力的函数 (决定了塑性应变方向) 。

流动方程是塑性应变在垂直于屈服面的方向发展的屈服准则中推导出来的, 即Q等于屈服函数, 这种流动准则叫作关联流动准则, 如果使用其它的流动准则, 则叫作不关联的流动准则[30]。

4 强化准则

强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。一般来说, 屈服面的变化是以前应变历史的函数, 在ANSYS程序中, 使用了三种强化准则:等向强化, 随动强化, 混合强化。对于焊接问题一般采用等向强化, 可以得到比较好的计算结果[31]。

变形和应力 篇2

动态控制低应力无变形搅拌摩擦焊技术

基于动态低应力无变形技术的原理,设计开发了用于FSW的阵列式射流冲击热沉系统,该系统可有效减小搅拌摩擦焊接头残余应力,实现FSW薄壁结构的低应力无变形焊接.动态低应力无变形技术不仅可以提高6082-T6铝合金FSW接头性能,而且与搅拌摩擦焊的`工艺适用性好,因此具有较好的技术经济价值和良好的应用前景.

作 者：李光 李从卿 董春林 栾国红  作者单位：北京航空制造工程研究所 刊 名：航空制造技术  ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(z1) 分类号：V2 关键词：搅拌摩擦焊   动态低应力无变形技术   阵列式射流冲击热沉  

变形和应力 篇3

关键词:钢制罐体 焊接应力 变形 控制

中图分类号:TG404文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)01(a)-0068-01

1 引言

近几年中国经济发展很快,现代工业生产制造业发展更是迅速,作为现代工业生产制造业中必不可少的工艺之一的焊接,它涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等方面,是一个复杂的学科。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等[1]。在焊接的过程中焊件会产生内应力及变形,其根本原因是焊接过程产生的温度场不均匀以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织。由于焊接应力与变形的存在,在焊接钢制罐体时,会对钢制罐体产生不利的因素,比如对钢制罐体的强度、刚度、稳定性、加工精度以及耐久性等产生影响,因此采用合理的措施控制应力及变形是钢制罐体安装的关键。

2 钢制罐体在焊接过程中产生焊接变形的现象和应力及变形的产生原因

钢制储罐在焊接过程中产生焊接变形的现象主要有:焊缝的径向收缩和横向收缩对钢板产生应力与变形现象; 底板与壁板角缝、底边板与底中幅板间环焊缝的径向收缩引起罐体底边板角变形和中幅板的应力与变形现象;应力的叠加使得钢板失稳引起的波浪变形。

影响焊接应力与变形的最根本的因素是焊件受热不均匀,其他的还有焊缝金属的收缩、焊件金相组织的变化及焊件刚性与拘束等。在焊接时,焊接的局部从常温加热到高温,造成构件温度场的不均匀,温度场的不均匀使得钢制罐体产生拉应力,当拉应力达到钢材的屈服极限,会使得钢制罐体或者构件的局部区域产生塑性变形,此时的内部变形由弹性变形率和塑性变形两部分组成,当温度恢复到常温时,弹性变形部分恢复,塑性变形部分不能恢复。当焊接完成时,构件的温度回到常温,拉应力仍然残留在整个罐体中,称为残余应力。在整个罐体中的不同区域、板厚、深度处其残余应力的大小值不同,从而产生变形。不同的焊缝因钢制罐体所处的位置、外部环境不同,高温下体积膨胀量受到约束,冷却后塑性变形也不同,残余应力也不同,应力分布不均匀会导致应力集中,应力集中对整个罐体产生非常不利的影响。因此焊接残余应力的峰值大小、分布状态直接对储罐的疲劳破坏和应力腐蚀开裂等产生不良影响[2]。

3 焊接应力及变形的控制

3.1 合理的焊缝设计与选材

根据钢制罐体的各组成构件的材料尺寸进行合理的焊缝设计,中幅板采取由中心向四周对称的排列方式,优点是在焊接过程中可以均布和同步焊接,使得其在相对自由膨胀收缩的状态下施焊。对焊缝要进行合理的设计,焊缝不宜集中在一起或者三向交叉,其尺寸应按规范设计、避免过大,焊缝布置可采取对称的排列方式,焊缝的位置不应出现仰焊的现象。焊接前对焊件焊缝周边位置采取无损伤检查,如用超声波和磁粉进行检查,从而避免因焊件自身的缺陷而出现应力集中现象。

3.2 焊接方法的选择

由于焊接加热过程具有局部性,瞬时性和移动性,焊接应力引起的焊接变形是必然存在的[3]。只要找出引起焊接变形的主要因素,合理的分析变形的方向、量值和规律,进而采取合理的焊接方法,选取适当的工艺流程,就可以控制焊接应力应变在合理的范围内,使其趋于最小,甚至可以消除。在焊接时采用分段焊、分层焊、对称焊缝,可以使其变形相反而抵消。在焊接前使钢制罐体有一个与焊接变形相反的预变形,针对小构件可以采取焊前预热、焊后回火,然后慢慢冷却至室温。

在焊接钢制罐体中大量选择的焊接方法是半自动CO2保护焊工艺,它的特点是焊缝的截面积小、焊接坡度角度小、焊接线能量小和焊接速度快,与此同时它还有焊条电弧焊的灵活性和埋弧自动焊的高效性,又避免了焊条电弧焊焊缝成形系数大效率低变形大,埋弧焊线能量大变形大的缺点。

3.3 焊接施工过程控制

在钢制罐体的焊接施工过程中进行控制,如控制焊件的加热程度和加热范围来降低应力,在焊接罐体的底板时,可采取先焊短焊缝,后焊中长焊缝,而后是焊接通长焊缝,预留收缩缝,先焊完罐底大角焊缝焊最后进行收缩缝的焊接的顺序。焊工安排要均匀分布,对称同时同步。在焊接中可以应用分段跳焊退焊,这样可以让之前的焊缝先冷却,可以使焊缝附近的金属的温度场变化很小,焊接应力出现的几率可以变少。

波浪变形属于失稳变形,一般产生于薄板结构中,是由于板中的残余应力大于失稳的临界应力值。针对钢制罐体的中幅板焊接后的波浪变形,可以有以下几种控制措施:钢制罐体的中幅板焊缝在焊接之前,可以固定住沿焊缝长度方向,在所有焊缝两端加垫板防止焊材在焊缝位置的部分发生翘曲;对于每条焊缝,在焊接前,可以在焊缝的垂直方向每隔3m用一定长度的背杠进行约束,背杠在全部焊完整条焊缝并冷却到室温后方可拆除。连接在钢制罐体的罐底与罐壁的角焊缝,可以由罐内、外沿同一方向分段焊接,但应在底圈壁板纵向缝焊完后才能开始。中幅板与边缘板间丁字焊缝先不焊接,待预留收缩缝焊接时一并焊接。

根据钢制罐体的受力条件,位于边缘板与壁板的角缝采用外大内小的形式,即不对称x型坡口。同样,在壁板与底板的焊缝的形式是T型,而且不对称,在焊接时温度场分布不均匀,金属在沿板两侧收缩不一致,容易引起壁板与底板的角变形,可以采取在罐内侧布置一定数量以1m为间距的斜撑,斜撑可以起到对由内外角缝焊接造成壁板与底板的角变形约束的作用。焊接焊工的安排应使焊接等速,罐体内外的焊工应错开。

3.4 焊中应力消除与焊后热处理

在焊接钢制罐体过程中,可以采取用手锤和电动风铲振动敲击焊缝的形式,减小焊接应力,但对敲击的形式和环境要遵循以下原则:必须均匀敲击焊缝,而且焊缝要处于受热的状态。因为在受热状态和均匀的锤击下可以引起焊缝金属横向塑性伸展,这能够补偿一定的焊缝收缩,致使该焊缝位置的残余拉应力的弹性应变得到恢复,可以消除部分焊接残余应力。

焊缝焊接完成后,应进行焊后热、保温处理。这能使扩散氢从焊缝中从焊材逸出的时间延长,也可释放焊接产生的应力,从而避免延迟裂纹出现。焊后热处理可以采用在焊缝两侧一定范围内用氧、乙炔中性火焰进行均匀烘烤,用温度计在焊缝处测量读数,以此控制好温度并用4层以上石棉布裹紧,保温4h以上然后自然冷却至室温。

4 结语

在焊接钢制罐体时由于焊接应力引起的变形是不可避免的,但是我们可以不断研究,在实践中不断总结、积累焊接和施工经验,采取合理的焊接方法和控制措施,以便减小和消除焊后残余应力和变形,综合分析考虑各种因素,通过合理的焊缝设计与选材、焊接方法的选择、焊接施工过程控制、焊中应力消除与焊后热处理的控制措施,有效保证焊接质量和罐体制作质量。

参考文献

[1]郑卜祥.航天铝合金板件的焊接应力与变形研究[D].北京:北京工业大学硕士学位论文,2008,5.

[2]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册[M].北京:机械工业出版社,1992.

[3]曾乐,周敏惠,徐域栋,等.现代焊接技术手册[S].上海科学技术出版社,1993.

变形和应力 篇4

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。

变形和应力 篇5

【关键词】铝合金；残余应力；加工变形；框类

1.引言

航空大型整体结构件的加工变形不但影响飞机的正常装配，还在一定程度上降低飞机的性能和质量，其预测和控制是航空制造业公认的难题。整体结构件的加工变形由切削力、切削热、装夹力、工艺路径、毛坯内应力和切削残余应力等因素导致，并受到零件结构和加工工艺等因素影响。

切削残余应力对整体结构件，尤其是薄壁整体结构件的加工变形有着较大影响，对其控制的研究主要针对优化工艺参数、采用高速切削技术等，未见设备性能对残余应力影响的报道。同时，对铝合金整体结构件的加工变形研究重点关注了铝合金材料在切削温度条件下的本构特性，忽略了铝合金材料的低温蠕变特性，暂无关于铝合金零件加工后蠕变变形的研究。研究常温下铝合金整体结构件在内应力和切削残余应力作用下的蠕变变形，对其加工变形控制也具有重要意义。

2.毛坯残余应力分析和测量方法概述

基于材料去除的测量方法，其基于宏观的弹塑性力学，建立切除部分材料所引起的应变与其被测物体所含内应力值的数学关系，通过测量应变或者相关量进而求出原始应力值。这类方法主要有小孔法、逐层法、裂纹柔度法等。

在小孔法中，如图2.1所示，物体表层的主应力1 与所粘贴的应变片1间存在夹角θ，钻孔后所释放应力导致的0度、45度和90度三个方向的应变1 、2 和3 分别被应变片1-3测得，利用公式可计算得两个主应力和的值和夹角θ的值，式中参数A和B为与弹性模量、泊松比、钻孔直径d和应变片尺寸和位置r有关应力释放系数，可以通过文献所提方法获得。近年来科学工作者对小孔法做了大量研究工作，从测量原理到实际操作中的各种工艺因素、误差来源等进行了深入的研究，使其日趋完善。针对孔位、孔径、孔深对测量精度造成的影响作了详细研究，对粘接剂的选择使用以及粘贴技术问题作了专门研究，对实际操作过程很有指导意义。Schajer针对盲孔法采用有限元数值分析的方法，分别对不同尺寸、形状的盲孔周围的应力分布情况进行计算，得出孔深径比及孔缘孔底形状对释放应力的影响。小孔法可以较准确地测量钻孔处数毫米深度范围内的应力平均值，测量深度远大于X射线法等方法，目前已成为工程上最通用的残余应力测量方法，成为行业标准。

运用小孔法测量大型结构件毛坯内应力需解决三个方面的问题。第一，由于小孔法测量的是数毫米深度范围内的应力平均值，且测量深度相对于厚度数十毫米甚至数百毫米的毛坯厚度还远远不够，因此需解决如何利用小孔法测量毛坯内部较深位置应力分布的问题。Soete W等提出采用逐层钻孔的方法，对传统小孔法进行改进，将一次完成的钻孔过程分步逐层完成，依据每步释放的应变计算应力沿孔深方向的分布。但是逐层钻孔法并没有解决测量深度的问题，因为小孔法测量极限深度是孔径的1.2倍，而且随着孔深逐渐逼近孔径尺寸逐层钻孔的精度会急剧下降。第二，小孔法仅能获得钻孔处的应力值，相对于毛坯尺寸可认为仅测量了点处（一维）的应力值，为了测量获得面上（二维）或体内（三維）的应力分布，需进行多点测量，因此还需解决如何基于多个点处的应力数据计算面上和体内应力分布的问题，目前还没有相关研究报道。第三，小孔法测量效率有待提高。小孔法测量需完成钻孔和测应变两个主要步骤，钻孔需要定位，通常精度需保证在0.1mm内。如采用应变片测应变则需要贴应变片、焊线等。V. V. Balalov， M. Ya， D.V. Nelson和戴福隆等利用云纹干涉技术代替应变片测量应变，结合小孔法建立了各种测量残余应力实验方法与系统，可以节约贴片需要的时间，但是搭建云纹干涉的光路也需要耗费大量时间。操作繁琐且技术要求使得小孔法测量效率低下。虽然业内研究者设计了多种便携的钻孔或测应变的装置，但是对于需要钻数百甚至数千个孔的大型毛坯测量工程，采用人工测量依然存在操作繁琐、测量周期长的问题需要解决。

3.毛坯试件应力分布测量

针对上述仅数毫米厚度的薄壁结构内应力测量需求，我们进行了深入系统地研究，并在国内多家相关机构进行了调研，最后采用了钻孔应变计法。钻孔应变计法应力测量过程如图 3.1所示

4.结论

通过理论计算和数据模拟分析得出了如下结论，试验后初始残余应力分布规律和模拟过程基本吻合，计算的变形量理论结果和有限元结果能够很好吻合，研究中的残余应力都小于材料的屈服应力，所产生的变形都在弹性范围内。测试中忽略了加工过程引入起的残余应力和加工热，所以要使计算和模拟更具有实用性，还需开展热力耦合实验研究。

参考文献：

[1]田荣鑫， 刘维伟， 姚倡锋，等. 薄壁构件单面铣削残余应力变形有限元模拟与试验研究[J]. 航空精密制造技术， 2015， 51（6）：1-1.

[2]董辉跃， 柯映林. 残余应力对加工变形影响的分析与模拟[J]. 航空材料学报， 2005， 25（5）：54-58.

[3]周广涛， 刘雪松， 方洪渊. 纵向预置应力法控制薄板焊接残余应力与变形[J]. 机械工程材料， 2008， 32（3）.

[4]孙杰， 柯映林. 残余应力对航空整体结构件加工变形的影响分析[J]. 机械工程学报， 2005， 41（2）：117-122.

焊接应力、焊接变形的产生和控制 篇6

关键词：焊接应力,焊接变形,控制措施

在建筑工程钢结构日益发展的今天, 形式各样的焊接机械、焊接方法日新月异, 焊接技术和焊接质量成了一个关键的课题。但是在施工过程中, 由于焊接过程产生的焊接残余应力和焊接残余变形, 严重影响着工程的质量、工程的安装进度和结构承载力 (即使用功能) , 因此, 需要采用合理的焊接方法和焊接工艺加以控制。建筑工程钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的热过程, 但由于不均匀温度场, 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。

焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后, 存在于焊件中的内应力。按应力作用时间的不同, 焊接应力可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。焊接瞬间应力, 是指焊接过程中某一瞬时的焊接应力, 它随时间而变化。焊件冷却后, 残留于焊件内的应力, 称为焊接残余应力。焊接变形, 即由于焊接而引起的焊件变形。焊接变形包括焊接过程中的变形和焊接残余变形。焊后焊件不能消失的变形, 称为焊接残余变形。我们将主要讨论焊接残余应力、焊接残余变形的产生和控制。

1 焊接残余应力与焊接残余变形产生的原因

影响焊接应力与变形的因素很多, 最根本的原因是焊件受热不均匀, 其次是由于焊缝金属的收缩、金相组织的变化及焊件刚性的不同所致。另外, 焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与焊接变形的大小、方向、分布等也都有一定影响。

2 焊接残余应力和焊接残余变形的分类

2.1 焊接残余应力

按焊接应力的性质划分:拉应力;压应力。

2.2 按引起焊接应力的基本原因划分

热应力, 也称温差应力;组织应力, 也称相变应力;拘束应力, 也称反作用应力或收缩应力。

2.3 按焊接应力作用的方向划分

纵向应力;横向应力;厚度方向应力。

2.4 按焊接应力在焊接结构中存在的情况划分

单向应力 (线应力) ;两向应力 (平面应力) ;三向应力 (体积应力) 。

2.5 按内应力的发生和分布范围划分

第一类应力, 又称宏观应力;第二类应力, 又称微观应力;第三类应力, 它的平衡范围更小, 其平衡范围只可用晶格尺寸来比量。

焊接残余变形, 焊接变形分为六种基本变形形式:收缩变形:纵向收缩变形;横向收缩变形;弯曲变形;角变形;波浪变形;扭曲变形;错边变形。

3 焊接残余应力、焊接残余变形的控制措施

针对这些不同种类的焊接残余应力和焊接残余变形, 追溯根源, 根据实际情况进行分析, 采取有效可行的控制措施。

3.1 焊接残余应力的控制措施

构件焊接时产生瞬时内应力, 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。焊接残余变形的矫正费时费工, 构件制造和安装企业首先考虑的是控制焊接变形, 往往对控制焊接残余应力较为忽视, 常用一些卡具、支撑以增加刚性来控制焊接变形, 与此同时实际上是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, 虽然焊接变形会较小, 但却同时产生较大的焊接内应力, 甚至产生焊接裂纹。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:减小焊缝尺寸;减小焊接拘束度;采取合理的焊接顺序;降低焊件刚度, 创造自由收缩的条件;锤击法减小焊接残余应力;采用抛丸机除锈。

3.2 焊接残余变形的控制措施

全面分析各种因素对焊接残余变形的影响, 掌握其影响规律, 就可以采取合理有效的控制措施。

3.2.1 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、横向及角变形的影响趋势是一致的, 而且是起主要的影响作用, 因此, 在板厚相同时, 坡口尺寸越大, 收缩变形越大。

3.2.2 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。

3.2.3 焊接方法的影响

多种焊接方法的热输入差别较大, 在建筑钢结构焊接常用的几种焊接方法中, 除电渣焊以外, 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, 收缩变形最大, 手工电弧焊居中, CO2气体保护焊最小。

3.2.4 接头形式的影响

在焊接热输入、焊缝截面积、焊接方法等条件因素相同时, 不同的接头形式对纵向、横向、角变形量有不同的影响。常用的焊缝形式有堆焊、角焊、对接焊。1) 表面堆焊时, 焊缝金属的横向变形不但受到纵横向母材的约束, 而且加热只限于工件表面一定深度, 使焊缝收缩的同时受到板厚、深度、母材方面的约束, 因此, 变形相对较小。2) T形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。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, 横向收缩减小, 同时角变形也减小。

3.2.5 焊接层数的影响

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, 接近于盖面焊道时与堆焊的条件和变形规律相似, 因此, 收缩变形相对较小。纵向收缩:多层焊接时, 每层焊缝的热输入比一次完成的单层焊时的热输入小得多, 加热范围窄, 冷却快, 产生的收缩变形小得多, 而且前层焊缝焊成后都对下层焊缝形成约束, 因此, 多层焊接时的纵向收缩变形比单层焊时小得多, 而且焊的层数越多, 纵向变形越小。

在工程焊接实践过程中, 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, 充分了解各因素单独作用的影响, 以便于对工程焊接具体情况做具体的综合分析。所以, 了解焊接变形产生的原因和影响因素, 就可以采取合理有效的控制焊接残余变形的技术措施:

1) 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) 。对屈服强度345MPa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;优先采用热输入较小的焊接方法, 如CO2气体保护焊。厚板焊接时尽可能采用多层焊代替单层焊。在满足设计要求情况下, 纵向加强肋和横向加强肋的焊接方法可采用间断焊接法。双面均可焊接操作时, 要采用双面对称坡口, 并在多层焊接时采用与构件中和轴对称的焊接顺序。T形接头板厚较大时采用开坡口角对接焊缝。采用焊前反变形方法控制焊后的角变形。采用刚性夹具固定法控制焊后变形。采用构件预留长度法补偿焊缝纵向收缩变形, 如H形纵向焊缝每米长可预留0.5mm~0.7mm。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。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。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的中和轴, 并使焊缝的布置与构件中和轴相对称。

综上所述, 在建筑工程钢结构焊接过程中, 一定要了解焊接工艺, 采取合理有效的焊接方法和控制措施, 以便减少和消除焊接残余应力和焊接残余变形。在工作实践中不断总结、积累焊接经验, 综合分析考虑各种影响因素, 才可以保证建筑工程中的焊接工程质量。

参考文献

采煤机摇臂壳体应力和变形指标 篇7

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.

变形和应力 篇8

液化天然气 (Liquified Natural Gas, 简称LNG) , 是天然气经压缩、冷却, 在-160度下液化而成。其主要成分为甲烷, 其制造过程是先将气田生产的天然气净化处理 (脱水、脱烃、脱酸性气体) 后, 经一连串超低温液化后, 采用节流、膨胀和外加冷源制冷的工艺使甲烷变成液体而形成的[1], 用专用船或罐车运输, 使用时重新气化。LNG被公认是地球上最干净的能源, 无色、无味、无毒且无腐蚀性, 其体积约为同量气态天然气体积的1/600, LNG的重量仅为同体积水的45%左右, 燃烧后对空气污染非常小, 而且放出热量大, 所以LNG是一种前景广阔的能源[2]。LNG储罐是液化天然气充装站的重要设备, 笔者就针对曾参与建设的LNG储罐安装作一些探讨, 储罐采用双层结构, 采用奥氏体不锈钢 (S30408) 内筒、16Mn DR外筒和顶盖。LNG储罐施工最大的难点就是焊接变形的控制, 变形若在标准允许范围内, 则不会影响储罐的使用, 若储罐变形超过标准许可的范围, 不仅会影响储罐的外观, 而且还会在外载荷的作用下产生应力集中和附加应力, 严重影响LNG储罐的承载力, 降低储罐的使用能力, 使储罐的安全性下降, 严重的则会影响储罐的使用。所以, 在LNG储罐的焊接制造和设计时, 如何减小焊接残余变形是一个非常重要的问题, 本文就焊接残余变形的成因及防治作以简单的分析。

2 焊接残余应力、残余变形产生的原因

钢材在焊接和冷却的过程中, 其局部形成一个很不均匀的温度场, 由于膨胀和收缩的程度和速度不同, 温度场内各部分钢材的变形相互制约, 产生了不可逆转的塑性变形, 导致焊件在完全冷却后, 其上仍然存在着残余应力和残余变形。纵向焊接残余应力产生的原因比较复杂, 当两块钢板被平面焊接时, 钢板焊缝一侧受热升温, 将沿焊缝方向纵向伸长, 但受到钢板两侧未加热区域的限制, 伸长量被压缩, 产生热塑变形。随着焊缝金属由熔融状态冷却到常温, 焊缝将要纵向收缩, 由于热塑变形不可逆转, 焊缝金属将被纵向受拉, 其内部产生纵向拉应力, 而焊缝周围的主体金属由于受到焊缝的收缩压迫, 其内部产生压应力。横向残余应力产生的原因是冷却后焊缝纵向收缩, 使焊缝两侧钢板趋于形成反方向的弯曲变形, 但实际上两块钢板已经连成一体, 不能分开, 于是两块钢板的焊缝中部将产生横向拉应力, 而焊缝两端将产生横向压应力。另外, 施焊时是按一定顺序进行的, 先焊好的焊缝冷却凝固后将阻碍后焊焊缝在横向自由膨胀, 使其产生横向的塑性压缩变形, 当后焊焊缝收缩时, 受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力, 同时在先焊焊缝内产生横向压应力。焊缝的横向焊接残余应力就是上述两种原因产生应力的合成结果。厚度方向焊接残余应力产生的原因是施焊时, 如若焊接件较厚时, 焊缝需要多层施焊, 而外层焊缝因散热较快先冷却凝固, 这样必然对内层后凝固的焊缝收缩产生限制, 使焊缝产生沿厚度方向的残余应力。

3 LNG储罐底板焊接变形及其防治

底板焊接变形, 其中波浪变形和角变形是最常见的变形。一是板的对接焊缝产生上下相间排列的角变形带来的, 另外一个是由于焊接过程给板材带来的压应力造成板的局部失稳屈曲。焊接时焊接顺序不正确而产生内应力, 导致底板产生波浪变形。角变形的产生是由于接头处沿板厚的方向温度分布不均匀, 造成横向收缩不一致而引起的变形。

控制底板的焊接变形应注意以下几点:

3.1 边缘板外缘300mm的焊接。

因LNG储罐边缘板外缘300mm要求射线探伤, 为防止焊缝两端的缺陷对拍片的影响, 一般焊接时焊400mm长。对于有弓形的边缘板, 收缩缝应留在最下面一圈壁板与底板间的大角缝焊完之后再焊接, 非弓形边缘板则不宜留收缩缝。考虑到收缩变形, 边缘板的组对应采用外窄内宽的不等间隙, 以便在先焊外侧焊缝的过程中, 由于焊缝的热收缩使间隙归于一致, 保证焊后边缘板的平整度。根据经验, 外侧先焊的间隙较小为6~7mm, 内侧的间隙较大为8~12mm, 边缘板的不等间隙组对。

3.2 中幅板的焊接。

焊接中幅板时, 先将组对时所焊的定位焊缝全部磨开, 让中幅板之间保持自由状态, 以利于在施焊过程中能自由收缩, 补偿由于焊接应力所产生的变形。然后按先短后长, 从中心向外分段退焊或跳焊的顺序焊接。

3.3 丁字口处的焊接。

T型接头处, 首先焊接的方向宜留约100mm的一段不焊, 由最后一方向的焊接完成, 其原因是该接头处应力最大, 容易造成变形。这样的焊接顺序有利于应力的抵消。[3]底板的焊接应遵循的原则是“先短后长, 先中间后四周, 同步对称焊接”。为了更好的控制底板的变形, 可以采用反变形夹具。即在焊前, 先将钢板与焊接变形相反的方向进行人为的变形, 使反变形的量与焊接变形的量相同, 这样在焊接后, 焊接变形正好吸收了焊前的反变形, 使钢板趋于平整。反变形的角度一般在3°左右, 反变形量依据板厚大小而有所不同, 一般为6~8mm。

4 LNG储罐壁板焊接变形及其防治

造成LNG罐壁变形的主要因素是罐壁板卷制过程中形成的直边以及焊接过程中造成的纵向和环向的焊接角变形, 这类变形主要影响到储罐的椭圆度及垂直度。对于直边, 罐壁板卷制过程中有必要加压头板, 保证板端的圆弧度。因立焊缝焊接方向为上向焊, 壁板立缝越向上收缩量越大, 应选用小直径的焊条并采用分段焊接的方法。壁板立缝焊接时, 除产生角变形外, 还会产生旋转变形和纵向的收缩变形, 为防止各种变形, 在焊接立缝前, 可在壁板内侧焊接龙门板和安装对口卡, 对口卡的主要作用是调整焊缝间隙, 但它也可起到防止壁板变形的作用。而龙门板则对防止角变形和旋转变形非常有效。立缝的焊接应由几名焊工沿圆周均匀分配对称焊接, 以使焊缝内的应力均匀, 从而提高罐体的稳定性。立缝的两端应各留出200mm不焊, 等到环缝组对完成后与丁字焊缝一起焊接, 因为在纵焊缝施焊时, 极易在焊缝两端出现150mm左右的外翘变形, 给环缝组对造成困难, 使丁字焊缝的应力增加。壁板立缝防变形夹具壁板环缝的焊接变形主要靠胀圈防止, 也可采用龙门板加背杠的防变形夹具。在焊接工艺上, 应采用多层多道焊, 并注意控制层间温度。[4]

总之, 在LNG储罐的焊接制造中, 我们必须充分考虑施焊焊缝的性质, 焊件的结构, 对焊缝的结构、尺寸进行合理布设, 采取合理的装配工艺措施, 采用预留收缩余量法, 反变形法, 刚性固定法, 并保证使用合理的施焊工艺, 合理的焊接方法、焊接规范、焊接顺序和方向, 才能有效地减小和避免焊接残余应力和焊接残余变形。

摘要：本文通过对LNG储罐焊接制造过程中焊接残余应力及残余变形的原因分析, 分不同焊接部位, 从经验尺寸、焊缝工艺布局、施焊工艺顺序等方面阐述了减少焊接残余应力和残余变形的有效途径。

关键词：LNG储罐,底板,壁板,焊缝

参考文献

[1]GB/T20368-2006.液化天然气 (LNG) 生产、储存和装运[S].3-4[1]GB/T20368-2006.液化天然气 (LNG) 生产、储存和装运[S].3-4

[2]中国行业报告网.2012-2016年液化天然气行业发展现状分析及投资风险分析报告.2012.1-2[2]中国行业报告网.2012-2016年液化天然气行业发展现状分析及投资风险分析报告.2012.1-2

[3]SH/T3537-2009.立式圆筒形低温储罐施工技术规程[S].9-20[3]SH/T3537-2009.立式圆筒形低温储罐施工技术规程[S].9-20

变形和应力 篇9

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:

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总等效结点载荷列阵为:

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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:

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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。

变形和应力 篇10

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