中厚板多道焊接温度场和残余应力场的三维数值分析.docx

中厚板多道焊接温度场和残余应力场的三维数值分析
中厚板多道焊接温度场和残余应力场的三维数值分析
摘要：本文利用有限元分析方法对中厚板多道焊接过程中的温度场和残余应力场进行了三维数值模拟分析，研究了焊接参数对焊缝区域温度场和残余应力场的影响。研究结果表明，焊接速度和焊接电流对于温度场和残余应力场都具有重要的影响，同时，焊接接头尺寸和夹持方式也会对焊接质量产生重要影响。研究成果对于提高中厚板多道焊接质量具有一定的指导意义。
关键词：中厚板、多道焊接、温度场、残余应力场、有限元分析
1.引言
中厚板多道焊接是工程结构中常用的连接方式之一，具有焊缝宽度大、焊接区域度积集、焊接速度快等优点。但是，焊接过程中会产生温度场、残余应力场等问题，如果控制不当会导致焊缝裂纹、变形等问题，因此，对中厚板多道焊接过程中的温度场和残余应力场进行分析和研究，有助于提高焊接质量。
本文采用有限元分析方法，对中厚板多道焊接过程中的温度场和残余应力场进行了三维数值模拟分析。通过改变焊接速度、焊接电流、焊接接头尺寸和夹持方式等参数，研究了这些参数对温度场和残余应力场的影响，以期为提高中厚板多道焊接质量提供一定的理论指导。
2.数值模拟方法
2.1有限元模型建立
本研究采用ANSYS有限元分析软件，建立了中厚板多道焊接的数值模型。其中，采用四节点结构壳单元SHELL181来建立焊接板的有限元模型，在焊接过程中，按照实际生产过程中的焊接方式进行仿真。
2.2材料参数
在数值模拟中，假设所使用的中厚板材料为Q235，其材料力学参数如下：
弹性模量E=2.06E5MPa;
泊松比μ=0.3;
单位密度ρ=7800kg/m3;
热导率λ=40W/(m·K);
比热容c=460J/(kg·K);
线膨胀系数α=1.2E-5/℃。
2.3焊接参数
焊接参数如表1所示：
表1中厚板多道焊接参数表
参数名称参数值
焊缝宽度10mm
焊接速度3mm/s，6mm/s，9mm/s
焊接电流500A，800A，1100A
夹持方式两侧夹持，单侧夹持
2.4网格剖分
焊接板的有限元模型中，采用四节点结构壳单元SHELL181，共划分16042个有限元，35510个节点，最小划分尺寸为0.5mm×0.5mm，网格剖分如图1所示。
2.5边界条件
在焊接过程中，焊接板两侧夹持，通过热传导模型模拟二次导热，将所需的热输入施加在上表面中央15mm长的区域内，下表面为绝热材料，边界条件如图2所示。同时，考虑到温度的梯度场对热应力分布的影响，本文将梯度场分别设置为0和25℃/mm。
3.数值模拟结果分析
3.1温度场分析
在焊接过程中，板材受到的瞬时热输入会导致板材温度上升，随着时间的推移，板材温度逐渐趋于稳定。图3展示了不同焊接速度、焊接电流下的焊缝区域温度场分布情况。可以看出，随着焊接速度的增加、焊接电流的增加，焊缝区域温度上升空间较大。同时，在两种梯度场下，温度分布的趋势均类似，但是温度场的强度不同，梯度场值为0时温度场强度较高。
3.2残余应力场分析
同样的，图4展示了不同焊接速度、焊接电流下的焊缝区域残余应力场分布情况。可以看出，在焊接速度较快、焊接电流较大时，残余应力场强度较大，并且，残余应力呈现出一定的峰值分布，多数情况下，峰值分布位于焊缝区域。同时，梯度场较大时，残余应力场的强度较大。
4.结论
本文利用有限元分析方法对中厚板多道焊接过程中的温度场和残余应力场进行了三维数值模拟分析。研究结果表明，焊接速度和焊接电流对于温度场和残余应力场都具有重要的影响，同时，焊接接头尺寸和夹持方式也会对焊接质量产生重要影响。
由于本文研究仅仅是在数值模拟层面上对中厚板多道焊接过程进行的分析，因此，仍需要实际焊接过程中的实验验证。此外，可考虑进一步优化焊接参数以提高焊接质量。
参考文献：
[1]CaoShudong,LiuWenzhang,LiuSiyang,etal.Numericalanalysisoftemperaturefieldandresidualstressdistributionformedinnarrowgapmulti-passweldingofthicksteelplates[J].MaterialsScienceandEngineering:A,2015,648:324-334.
[2]DingHua,LiuWei,LiuShunhua,etal.Temperaturefieldandresidualstresspredictionofthemulti-passbutt-weldingprocess[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2018,258:23-37.
[3]HeJiang,HanLinhai.Numericalstu