車體側(cè)墻典型結(jié)構(gòu)激光焊變形數(shù)值模擬

1、摘 要焊接是地鐵車組生產(chǎn)中的一種重要技術,在地鐵車組的車體、轉(zhuǎn)向架等核心部件的生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。目前，我國的地鐵車組有采用激光焊代替點焊的趨勢，在激光焊接過程中,焊接構(gòu)件不可避免的產(chǎn)生焊接殘余應力與變形。焊接殘余應力與變形嚴重影響著地鐵車組結(jié)構(gòu)可靠性和安全服役性。如何準確預測焊接殘余應力與變形是迫切需要解決的問題。本文針對車體側(cè)墻薄板常見的焊接結(jié)構(gòu),利用有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬，分析得到其焊接殘余應力與變形的分布和變化規(guī)律,為進一步優(yōu)化激光焊接工藝提供科學依據(jù)。本文的主要研究內(nèi)容如下:首先,了解國內(nèi)外的激光焊接在車體上的運用和焊接殘余應力與變形的數(shù)值模擬現(xiàn)狀,運用分析焊接殘余應

2、力與變形產(chǎn)生的原因,對焊接殘余應力與變形仿真的基本理論進行研究,焊接熱彈塑性有限元理論和固有應變理論。其次,針對不銹鋼車體側(cè)墻典型薄板結(jié)構(gòu),采用固有應變有限元法預測焊接變形，并用ABAQUS軟件進行仿真，從而得出車體側(cè)墻的殘余應力與變形結(jié)果。最后對模擬出的結(jié)果殘余應力與變形的結(jié)果進行分析，為制定合理的激光焊接工藝提供數(shù)據(jù)支撐。關鍵詞：不銹鋼車體；激光焊；殘余應力；變形；數(shù)值模擬ABSTRACTWelding is one of the key technologies in the manufacture of railway vehicles. It has been widely used

3、 in the production of the car-body, bogie and other core components. At present, The subway in our country has the tendency of using laser welding instead of spot welding, in the process of laser welding, the welding structure inevitably produce welding residual stress and deformation.Welding residu

4、al stress and deformation seriously influence the structural reliability and safety of the subway service. How to predict the welding residual stress and deformation is an urgent need to solve the problem.Based on thin plate welding structure of common car body side wall, the paper uses finite eleme

5、nt software ABAQUS, which is used to numerically simulate .Analyze the welding residual stress and deformation distribution and the change rule,so as to provide scientific basis for optimizing the welding process and learning welding principle further.The main contents of this paper are as follows:F

6、irstly, understand the use of laser welding at home and abroad on the car body and the status quo of the numerical simulation of welding residual stress and deformation, analyze welding residual stress and change the reason for welding residual stress and distortion. Studying the basic theoryof the

7、welding residual stress and deformation simulation , welding thermal elastic-plastic finite element theory and the inherent strain theory.Secondly, typical sheet for stainless steel car body side wall structure, inherent strain finite element method is used to predict welding deformation, by using A

8、BAQUS software simulation, and car body side wall of the residual stress and deformation results.Finally, residual stress and deformation of the results of simulating results were analyzed, and to provide data support for the reasonable laser welding process. Key words: Stainless steel car body, Las

9、er welding, stress, deformation, numerical simulation.目錄第一章緒論11.1選題背景及意義11.2焊接過程數(shù)值模擬介紹11.3激光焊接的研究現(xiàn)狀與發(fā)展21.4焊接殘余應力數(shù)值模擬的應用41.5課題主要研究內(nèi)容7第二章 有限元法預測焊接變形82.1數(shù)值模擬82.2有限元法82.3有限元軟件ABAQUS92.4 固有應變法預測焊接變形10第三章 建模及分析過程143.1實驗材料143.2 相關數(shù)據(jù)的計算143.2有限元模型的建立15第四章 模擬計算結(jié)果與分析234.1 焊接變形有限元結(jié)果分析234.2 焊接應力有限元結(jié)果分析234.3 焊接變形

10、有限元結(jié)果分析25第五章結(jié)論28致謝29參考文獻30大連交通大學2015屆本科畢業(yè)論文第一章緒論1.1選題背景及意義 焊接是一個涉及傳熱學、電磁學、材料冶金學、固體和流體力學等多學科交叉的復雜過程。由焊接產(chǎn)生的動態(tài)應力應變過程及其隨后形成的殘余應力，是導致焊接裂紋和接頭強度與性能下降的重要因素。迄今為止，焊接殘余應力一直是人們關注的熱點問題，仍是焊接生產(chǎn)領域中迫切需要解決的問題。 現(xiàn)代交通業(yè)中, 軌道車輛與飛機、汽車等載運工具在客運方面展開的激烈競爭, 促進了各種運載裝備的快速發(fā)展。開發(fā)快速、高檔和輕量化不銹鋼軌道車輛已成為日、韓及歐美各國的發(fā)展戰(zhàn)略之一。為適應機車車輛工業(yè)跨越式發(fā)展的需要,

11、國內(nèi)鐵路客車及城市軌道車輛制造業(yè), 也正在積極進行全面技術裝備改造和產(chǎn)品的技術升級。不銹鋼車輛因其較好的撞擊吸能特性、防火安全性、輕量化和維護成本低等特點, 已成為重要的發(fā)展方向之一。車體采用不銹鋼鋼結(jié)構(gòu)不是把碳鋼改為不銹鋼的簡單置換, 而是其結(jié)構(gòu)設計較普通的碳鋼車體做了多項重大的改變, 制造工藝也完全不同于碳鋼車體。由于近年來汽車工業(yè)的成功經(jīng)驗和焊接新技術的飛速發(fā)展, 一些新的焊接技術成果正逐漸應用到不銹鋼車體的制造中來, 從而極大地豐富了不銹鋼車體的制造工藝手段。 目前國際上不銹鋼車輛上采用的多為奧氏體系SUS301L 類不銹鋼材料。這類材料不僅具有較高的抗拉強度(930MPa), 還具有

12、良好的沖壓性能,同時還具有較好的點焊焊接性。在歐美, 激光焊已被使用在車體的連接上,它主要用于板-板、板-桿之間的連接。瑞典某公司用激光分段焊接代替點焊, 質(zhì)量優(yōu)于點焊。同時這類不銹鋼具有熱傳導率小、熱膨脹率較大的物理性能，所以輸入熱量后，其散熱慢而變形大, 不利于對構(gòu)件尺寸及形狀的控制。焊后產(chǎn)生的焊接殘余應力不但是造成構(gòu)件焊后尺寸偏差的重要因素，也會影響構(gòu)件的靜強度和疲勞性能?，F(xiàn)在, 車輛設計者借助于電子計算機進行有限元計算方法(如ABAQUS 軟件),來分析車體的受力、變形以及應力分布情況, 充分地利用了材料的高抗拉強度, 設計出更優(yōu)質(zhì)的車體 1 。由于車體焊接結(jié)構(gòu)的復雜性，使得對焊后構(gòu)件

13、的殘余應力很難進行直接實驗測定，本課題采用有限元軟件對SUS301L不銹鋼典型激光焊接接頭的焊接熱-力過程進行模擬計算，對焊后殘余應力場的產(chǎn)生及影響因素進行研究。 1.2焊接過程數(shù)值模擬介紹焊接數(shù)值模擬, 是以試驗為基礎, 采用一組控制方程來描述一個焊接過程或一個焊接過程的某一個方面,采用分析或數(shù)值方法求解以獲得該過程的定量認識(如焊接溫度場、焊接熱循環(huán)、焊接HAZ的硬度、焊接區(qū)的強度、斷裂韌性等)。焊接數(shù)值模擬的關鍵是確定被研究對象的物理模型及其控制方程(本構(gòu)關系)。而焊接物理模擬是采用縮小比例或簡化了某些條件的模擬件來代替原尺寸形狀的實物研究(如焊接熱/力物理模擬、密柵云紋法分析應力應變、

14、氫的瞬態(tài)分布電視錄象)。物理模擬可以校驗、校核數(shù)值模擬的結(jié)果,作為數(shù)值模擬的必要補充。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,開發(fā)了許多不同的科學方法, 其中有:(1)解析法,即數(shù)值積分法;(2)蒙特卡洛法;(3)差分法;(4)有限元法 2 3 4 。數(shù)值積分法用在原函數(shù)難于找到的微積分計算中。常用的數(shù)值積分法有梯形公式、辛普生公式、高斯求積法等，數(shù)值積分法只能求解比較簡單的問題。蒙特卡洛法又稱隨機模擬法。即將某一問題假設為一個適當?shù)碾S機過程，把隨機過程的參數(shù)用隨機樣本計算出的統(tǒng)計量的值來估計，再由這個參數(shù)找出最初所述問題中的所含未知量。蒙特卡洛法在多重積分計算中得到重要的應用。差分法的基礎是用差商代替微商，相應地

15、就把微分方程變?yōu)椴罘址匠虂砬蠼狻２罘址ǖ闹饕獌?yōu)點是對于具有規(guī)則的幾何特性和均勻的材料特性問題，其程序設計和計算過程比較簡單，收斂性也好。但這種方法往往局限于規(guī)則的差分網(wǎng)格，如正方形、矩形和正三角形網(wǎng)格等，不夠靈活。在焊接研究中差分法常用于焊接熱傳導、熔池流體力學、氫擴散等問題的分析5,6,7,8。有限元法起源于20世紀50年代航空工程中飛機結(jié)構(gòu)的矩陣分析，現(xiàn)在己被廣泛用于求解幾乎所有的連續(xù)介質(zhì)和場的問題。在焊接領域，有限元法被用于焊接熱傳導、焊接熱彈塑性應力和變形、焊接結(jié)構(gòu)的斷裂力學等方面的數(shù)值計算和分析。有限元法是將連續(xù)的物體離散化，分解為由有限個單元組成的模型，即進行網(wǎng)格劃分，進而對離散化

16、模型求數(shù)值解。由于這種方法概念清晰，單元網(wǎng)格劃分形象、直觀，不受物體幾何形狀、邊界條件和物理特性的限制，適用性強，非常靈活，容易掌握，因此各個工程領域得到廣泛的應用。焊接數(shù)值模擬的理論意義在于, 通過對復雜或不可觀察的現(xiàn)象進行定量分析和對極端情況下尚不知的規(guī)則的推測和預測, 實現(xiàn)對復雜焊接現(xiàn)象的模擬, 以助于認清焊接現(xiàn)象本質(zhì),弄清焊接過程規(guī)律。焊接數(shù)值模擬的現(xiàn)實意義在于, 根據(jù)對焊接現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬, 可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計和工藝設計, 從而減少試驗工作量, 提高焊接接頭的質(zhì)量。1.3激光焊接的研究現(xiàn)狀與發(fā)展激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技

17、術應用的重要方面之一。焊接過程屬熱傳導型，即激光輻射加熱工件表面，表面熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散，通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數(shù)，使工件熔化，形成特定的熔池。與其他傳統(tǒng)焊接技術相比, 激光焊接的主要優(yōu)點是速度快、深度大、變形小;能在室溫或特殊條件下進行焊接, 焊接設備裝置簡單;可焊接難熔材料如鈦、石英等, 并能對異性材料施焊, 效果良好等。同時, 激光焊接也存在著一定的局限性, 要求焊件裝配精度高, 且要求光束在工件上的位置不能有顯著偏移。激光器及其相關系統(tǒng)的成本較高, 一次性投資較大13。在國外以美國、歐盟、日本為首的工業(yè)發(fā)達國家非常重視激光技術的發(fā)展與應用, 都將激光

18、技術列入國家發(fā)展計劃中, 投以巨資。僅就激光焊接這一加工技術,先后將其與航空工業(yè)、航天工業(yè)、核能設備、國防武器工業(yè)、造船工業(yè)、汽車工業(yè)、鐵路車輛工業(yè)、機械零部件、電子工業(yè)、建材業(yè)及家電業(yè)等分別組合, 利用集成和系統(tǒng)的工程方法進行經(jīng)費資助, 研究開發(fā)。目前激光焊接技術已達到與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相融合, 將其制訂為行業(yè)技術標準或工藝, 成為一項成熟的技術14。在國內(nèi)，對激光焊接研究主要集中在激光焊接等離子體形成機理、特性分析、檢測、控制、深熔激光焊接模擬、激光-電弧復合熱源的應用、激光堆焊、超級鋼焊接、水下激光焊接、寬板激光拼焊、填絲激光焊、鋁合金激光焊、激光切割質(zhì)量控制等。清華大學彭云等人分析了超細晶粒鋼

19、的焊接性及激光焊接的特點, 進行了400 MPa和800 MPa2種超細晶粒鋼的激光焊接試驗, 并與等離子弧焊接、MAG 焊接進行了比較9。無論是碳鋼或經(jīng)合金強化的高強度鋼, 還是通過特殊冶金加工的高強度鋼, 在快速加熱和冷卻的激光焊條件下,一方面接頭的硬度大大高于母材, 使接頭易產(chǎn)生裂紋;另一方面激光的再熱作用使HAZ出現(xiàn)軟化區(qū)。目前, 對于高強度鋼激光焊接性方面的研究還不足, 其應用還缺少更多的數(shù)據(jù), 需進一步深入研究10。激光焊的應用方面，德國奧迪、奔馳、大眾、瑞典的沃爾沃等歐洲的汽車制造廠早在20 世紀80 年代就率先采用激光焊接車頂、車身、側(cè)框等鈑金焊接, 20世紀90年代美國通用、

20、福特和克萊斯勒公司竟相將激光焊接引入汽車制造, 盡管起步較晚, 但發(fā)展很快。意大利菲亞特在大多數(shù)鋼板組件的焊接裝配中采用了激光焊接, 日本的日產(chǎn)、本田和豐田汽車公司在制造車身覆蓋件中都使用了激光焊接和切割工藝, 高強鋼激光焊接裝配件因其性能優(yōu)良在汽車車身制造中使用得越來越多11。激光焊接還廣泛應用到變速箱齒輪、半軸、傳動軸、散熱器、離合器、發(fā)動機排氣管、增壓器輪軸及底盤等汽車部件的制造, 成為汽車零部件制造的標準工藝。應當看到我國一些汽車制造廠家已經(jīng)在部分新車型中采用激光焊接技術, 而且從激光焊接技術本身研究的角度看, 我國一些科研院所在一些具有特色的領域取得了具有特色的成果。隨著我國交通裝備

21、制造業(yè)的快速發(fā)展, 激光焊接技術一定會在交通裝備制造領域取得豐碩的成果和廣泛的應用12。1.4焊接殘余應力數(shù)值模擬的應用 在焊接過程中產(chǎn)生的動態(tài)應力應變及隨后形成的殘余應力，是導致焊接裂紋和接頭性能下降的重要因素。因此，焊接殘余應力一直是人們關注的熱點問題。而對由于車體焊接結(jié)構(gòu)的復雜性，使得對焊后構(gòu)件的殘余應力很難進行直接實驗測定，對此焊接殘余應力數(shù)值模擬應運而生。20世紀70年代初， 日本大阪大學的上田幸雄教授等人首先以有限元法為基礎， 提出了考慮材料力學性能與溫度有關的焊接熱彈塑性分析理論， 導出了分析焊接應力應變過程的表達式，從而使復雜的動態(tài)焊接應力過程的分析成為可能。1973年Vaid

22、yanathan17利用板殼理論，在分析平板對接過程焊接應力的基礎上，提出了薄壁管對接環(huán)焊縫殘余應力的計算方法， 并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較， 結(jié)果表明，計算值與試驗值吻合較好。但該方法是作為二維應力狀態(tài)模型得到的計算公式，對于厚壁管道的三維應力狀態(tài)就不再適用了。Rybicki等人于1978年又將管道對接環(huán)焊時的焊接應力問題進行了適當?shù)暮喕?即認為整個圓周上的焊接是同時作用在管道上的，將三維焊接應力問題簡化為軸對稱問題。由此，建立了軸對稱的熱彈塑性有限元模型，對304不銹鋼管道環(huán)焊縫內(nèi)外表面的殘余應力進行了計算，計算結(jié)果如圖1-1所示，內(nèi)外表面殘余應力與試驗結(jié)果基本吻合,說明此模型適用于

23、預測管道環(huán)焊縫殘余應力。之后， 他又對管道多層焊焊接應力進行計算,分析了114.3mm×8.56mm管道和721mm×33mm的不銹鋼管道多層多道焊接時的殘余應力產(chǎn)生機制，并與試驗進行比較，計算結(jié)果與實際結(jié)果吻合較好15。 圖1-1 管道環(huán)焊縫內(nèi)表面殘余應力隨著對熱彈塑性理論的深刻認識和有限元方法的廣泛應用，德國學者Argyris提出用熱彈粘塑性組成的方程來分析焊接應力。BY Y Dong16建立了奧氏體不銹鋼管道環(huán)焊縫的殘余應力三維有限元模型。德國學者Cizelj等采用非線性有限元方法計算了馬氏體不銹鋼電子束焊接和經(jīng)過焊后熱處理的殘余應力,并考慮了相變的影響。以上的文獻可

24、以說明原來解決焊接殘余應力數(shù)值模擬問題時應用的簡單二維模型正逐步為三維模型所替代，如何采用三維模型有效地進行焊接殘余應力數(shù)值模擬是現(xiàn)在焊接殘余應力分析領域的主流問題。原來對于焊接殘余應力定性式的描述已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的要求，對于焊接殘余應力的研究正在向著定量化、精確化的目標邁進。國內(nèi)對焊接應力和變形數(shù)值分析在上世紀80年代開始了關于焊接熱彈塑性理論及在數(shù)值分析方面的研究工作，上海交通大學出版的數(shù)值分析在焊接中的應用對當時國內(nèi)外的研究成果作了介紹。西安交通大學的張建勛18采用熱彈塑性有限元法，應用有限元程序TEPFEM，分析計算了Co基合金靜葉片電子束焊接時的焊接工藝對焊接殘余應力的影響。

25、結(jié)果表明，殘余應力包括焊接本身產(chǎn)生的應力和由于構(gòu)件約束限制焊接自由收縮變形而產(chǎn)生的約束應力。發(fā)現(xiàn)焊接方向和焊件的裝夾方式對接頭中的殘余應力分布有較大的影響，焊縫兩端附近的殘余應力分布和焊接方向有關，起焊端附近焊縫中心是拉應力，而在終焊端附近則是壓應力。天津大學材料學院的陳俊梅19利用ANSYS軟件對Q235B鋼十字接頭的焊接殘余應力進行了有限元計算。所得橫向、縱向殘余應力計算結(jié)果如圖1-2和圖1-3所示。圖1-2 橫向殘余應力計算結(jié)果圖1-3 縱向殘余應力結(jié)算結(jié)果在計算機日益發(fā)展的今天， 采用數(shù)值模擬方法預測焊接殘余應力已經(jīng)取得了豐碩的成果。如極厚板焊接殘余應力分析以及為降低和調(diào)整管道結(jié)構(gòu)焊后

26、內(nèi)表面殘余拉應力所提出的許多焊接工藝與方法已經(jīng)得到了應用。這些都是采用過去常規(guī)的解析手段難以實現(xiàn)的。1.5課題主要研究內(nèi)容目前我國的地鐵車組普遍采用不銹鋼板材作為車體的主要結(jié)構(gòu)材料，與傳統(tǒng)的不銹鋼點焊連接相比，激光焊接具有焊接速度快、變形小、結(jié)構(gòu)氣密性好等一系列優(yōu)點。因此采用激光焊代替點焊成為一個重要的發(fā)展趨勢。本研究針對不銹鋼薄板典型構(gòu)件，采用數(shù)值模擬技術，基于ABAQUS有限元軟件，對激光焊作用下的焊接應力場及焊后變形進行模擬計算，為分析制定合理激光焊接工藝提供數(shù)據(jù)支撐。第二章 有限元法預測焊接變形2.1數(shù)值模擬數(shù)值模擬是采用一組控制方程來描述一個物理過程，或物理過程的某一方面，并運用分析

27、或數(shù)值方法求解，以獲得對該過程的定量認識。由于焊接過程的復雜性和多樣性，將所有的涉及的物理場都進行分析模擬在目前來說是比較困難的，也是不現(xiàn)實的。人們常常選取所關心的某一方面的物理過程進行模擬計算。如只關心焊接中的應力分布，可進行焊接應力場模擬計算；關心焊接溫度場的分布，可進行焊接溫度場模擬計算。對一個物理過程進行數(shù)值模擬一般經(jīng)過已下幾個步驟。1、 建立模型；2、 建立描述方程；3、 求解方程；4、 表述結(jié)果其中，所謂建立模型一般是指將研究對象抽象化的過程。在實際的應用過程中，選取主要因素，忽略次要因素，進行一定的簡化也是非常必要的。建立描述方程，一般包括對所加載荷、邊界條件的描述方程和受載對像

28、的本構(gòu)響應方程。求解方程指的是用數(shù)值模擬方法進行求解的過程，得到自己想要的得到變量的結(jié)果。表述結(jié)果是指，在模擬計算完成后，對結(jié)果變量進行顯示、甄別與判斷的過程。2.2有限元法在焊接的數(shù)值模擬中有限元法應用比較廣泛，它的原理是將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個單元內(nèi)假設的近似函數(shù)來分片的表示求解域上待求的未知場函數(shù)，近似函數(shù)通常由未知場函數(shù)及其導數(shù)在單元各節(jié)點的數(shù)值插值函數(shù)來表達。從而使一個連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。它的運用步驟一般分成三步。1：剖分:將待解區(qū)域進行分割，離散成有限個元素的集合。元素（單元）的形狀原則上是任意的。二維問題一般采用三角形單元或矩形單元

29、，三維空間可采用四面體或多面體等。每個單元的頂點稱為節(jié)點（或結(jié)點）。2：單元分析:進行分片插值，即將分割單元中任意點的未知函數(shù)用該分割單元中形狀函數(shù)及離散網(wǎng)格點上的函數(shù)值展開，即建立一個線性插值函數(shù)。3：求解近似變分方程用有限個單元將連續(xù)體離散化，通過對有限個單元作分片插值求解各種力學、物理問題的一種數(shù)值方法。有限元法把連續(xù)體離散成有限個單元：桿系結(jié)構(gòu)的單元是每一個桿件；連續(xù)體的單元是各種形狀（如三角形、四邊形、六面體等）的單元體。每個單元的場函數(shù)是只包含有限個待定節(jié)點參量的簡單場函數(shù)，這些單元場函數(shù)的集合就能近似代表整個連續(xù)體的場函數(shù)。根據(jù)能量方程或加權(quán)殘量方程可建立有限個待定參量的代數(shù)方程

30、組，求解此離散方程組就得到有限元法的數(shù)值解。有限元法已被用于求解線性和非線性問題，并建立了各種有限元模型，如協(xié)調(diào)、不協(xié)調(diào)、混合、雜交、擬協(xié)調(diào)元等。有限元法十分有效、通用性強、應用廣泛，已有許多大型或?qū)Ｓ贸绦蛳到y(tǒng)供工程設計使用。結(jié)合計算機輔助設計技術，有限元法也被用于計算機輔助制造中。在焊接領域中，有限元法被用于焊接熱傳導、焊接熱彈塑性應力和變形、焊接結(jié)構(gòu)的斷裂力學等方面的數(shù)值計算和分析。當前，常用于焊接過程模擬的有限元軟件有:ANYSYS、ADINA、ABAQUS、MSC.MARC等，其中本次研究所以軟件為ABAQUS。2.3有限元軟件ABAQUS ABAQUS 是一套功能強大的工程模擬的有限

31、元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQUS包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫、可以模擬典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質(zhì)材料，作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結(jié)構(gòu)（應力/位移）問題，還可以模擬其他工程領域的許多問題,例如熱傳導、質(zhì)量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析（流體滲透/應力耦合分析)及壓電介質(zhì)分析。ABAQUS被廣泛地認為是功能最強的有限元軟件，可以分析復雜的固體力學結(jié)構(gòu)力學系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復雜的問題

32、和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學和多物理場的分析，同時還可以做系統(tǒng)級的分析和研究。ABAQUS的系統(tǒng)級分析的特點相對于其他的分析軟件來說是獨一無二的。由于ABAQUS優(yōu)秀的分析能力和模擬復雜系統(tǒng)的可靠性使得 ABAQUS 被各國的工業(yè)和研究中所廣泛的采用。ABAQUS產(chǎn)品在大量的高科技產(chǎn)品研究中都發(fā)揮著巨大的作用。在焊接當中ABAQUS扮演著越來越重要的角色，在激光焊接的應用上，為了減小焊接變形，優(yōu)化焊接工藝，需要準確預測激光焊接過程中溫度場的分布情況，使用有限元模擬來預測溫度場的分布是一種較好的方法。通過分析和總結(jié)激光焊接過程有限元模擬和理論分析的研究現(xiàn)狀，以平板的

33、焊接為例，建立了物理模型，并利用ABAQUS進行了激光焊接三維溫度場的有限元模擬，討論了模型的網(wǎng)格劃分、邊界條件及其模擬結(jié)果的后處理。模擬結(jié)果可以給出試件上任意一點任意時刻的溫度情況，在激光功率為2000W、焊接速度為20mm/s的參數(shù)下模擬焊接2mm厚的A3鋼板。結(jié)果表明，最高溫度為3100左右，距焊接中心橫向4mm處A點的最高溫度為150左右，與相同參數(shù)條件下的實驗結(jié)果基本一致20。借助ABAQUS來模擬焊接溫度場的模擬結(jié)果也被證明與實際實驗結(jié)果相較是一致的，因此ABAQUS可以再今后的焊接數(shù)值模擬中大展拳腳。2.4 固有應變法預測焊接變形對于預測焊接應變的有限元方法中，固有應變法是一種十

34、分簡單而又有效的方法。他利用焊接以后在焊縫及其附近所產(chǎn)生的固有應變作為初始應變，只要進行一次彈性有限元計算，就可以獲得整個結(jié)構(gòu)的焊接變形。這樣既大大的縮短了運算時間和成本，又保持了足夠的精度，在實際的焊接工程中運用廣泛。對于簡單的梁或平板的焊接變形，可用固有應變進行簡化的解析計算。然而對比較復雜的焊接結(jié)構(gòu)就無能為力。這時，固有應變有限元法是一種既能解決大型復雜結(jié)構(gòu)，又比較經(jīng)濟的預測焊接變形的方法。考慮到焊接的實際情況，焊件局部要加熱到很高的溫度，而周圍溫度較低的部位不能自由伸長，對加熱部分的熱膨脹產(chǎn)生約束的作用，只是焊縫及其附近的高溫區(qū)累積了壓縮塑性變形。可以認為固有應變僅存在焊縫及其附近。因

35、此如果能夠知道固有應變的分布規(guī)律，那么就可以把固有應變作為初始應變施加于焊縫及其附近的一定區(qū)域，僅用一次彈性有限元計算來預測殘余應力和變形大小。對于復雜的結(jié)構(gòu)，主要影響焊接變形的仍然是縱向固有應變和橫向固有應變?？v向固有應變的總和Wx及其位置Z，橫向固有應變的總和Wy及其位置e是四個確定焊接變形的決定性參數(shù)。Wx和Wy與焊接線能量Q存在一定關系，假定為： （2-1） （2-2） 上式中，K稱為縱向固有應變系數(shù)，I稱為橫向固有應變系數(shù)。于是問題轉(zhuǎn)化為如何確定K,Z,e四個參數(shù)。如果要預測殘余應力，那么必須了解固有應變的詳細的分布形態(tài)。然而若僅僅預測焊接變形，只需固有應變的總和及其位置確定即可，保

36、證精度。最簡單的方法就是把平均固有應變施加在焊縫及其附近的一個矩形區(qū)域，如圖2-1所示。圖2-1 固有應變施加區(qū)域 以橫向固有應變?yōu)槔?，此時有 （2-3） （2-4） 同理縱向固有應變： （2-5） 上式中待定的參數(shù)僅有兩個，即固有應變橫向長度2a，以及焊透深度h,對于不同的接頭形式，其計算方法稍有不同。 在對接接頭中，固有應變作用區(qū)域如圖2-2所示。圖2-2 對接接頭固有應變區(qū)域 在焊縫橫向固有應變寬度2a應為焊縫寬度加上產(chǎn)生了塑性變形的寬度，在實際應用的過程中，可簡化為焊縫加熱影響區(qū)寬度，厚度方向如果全部焊透，則可取整個板厚h。如屬于部分熔透，則需按照式（2-3）計算h,其中偏心距e,對于

37、低碳鋼的話，期與線能量的關系可以參照圖2-3得出。 圖2-3 偏心距e與線能量及板厚的關系對于低碳鋼和低合金鋼根據(jù)汪建華21預測焊接變形的殘余塑性應變有限元方法，其橫向固有應變系數(shù)與板厚、焊接線能量關系如下圖2-4： 圖2-4 橫向固有應變系數(shù)對于一般的低碳鋼、低合金鋼，其縱向焊接固有應變系數(shù)K，與板厚以及焊接線能量的關系可繪成如圖2-5所示。 圖2-5 縱向固有應變系數(shù)K第三章 建模及分析過程3.1實驗材料選擇試件材料為SUS301L-HT，其各項熱物理性能參數(shù)1見下表3-1所示。表3-1SUS301L-HT熱物理性能參數(shù)熱物理性能參數(shù)溫度 室溫20040459979210071107熱導率

38、12.94315.02918.33420.94423.31826.59127.324比熱容413.41453.683504.558550.112552.05601.315579.4103.2 相關數(shù)據(jù)的計算車體車體側(cè)墻典型結(jié)構(gòu)尺寸如圖3-1所示，對材料為SUS301L-HT的結(jié)構(gòu)采用激光焊，其焊接參數(shù)，材料參數(shù)如下表2,3所示。圖3-1 車體側(cè)墻典型結(jié)構(gòu)尺寸圖表3-2 不銹鋼激光搭接焊試驗參數(shù)激光功率 P(kW)焊接速度S(mm/s)離焦量 Dd(mm)2.0220表3-3 SUS301LHT機械性能參數(shù)機械性能彈性模量（MPa）泊松比屈服應力（MPa）數(shù)值605270.3821在ABAQUS

39、等有限元軟件中，由于固有應變值不能直接作為載荷賦予焊縫及其附近的單元，但軟件提供的各向異性的熱膨脹系數(shù)功能使焊縫在縱向和橫向的不同收縮得以體現(xiàn)因此可根據(jù)給定的焊接參數(shù)、利用固有應變公式計算出板材焊接的橫向、縱向固有應變值以及焊透深度，并將固有應變值設為相應的方向的熱膨脹系數(shù)，最后施加負的單位溫載荷，來實現(xiàn)固有應變的施加,然后再把應變的載荷加在焊縫及其附近的單元上，即可進行一次彈性有限元分析，最終求得焊接變形。由此可見，計算出橫、縱向固有應變是應用固有應變法的關鍵。其計算流程如下所示：根據(jù)焊接要求，為激光全焊透，故取3mm，為2 kW, 取0.96；=86.4J/mm, =9.6KJ/cm

40、79;；查圖7得橫向固有應變系數(shù)：=2.3cm³/MJ；查圖8的縱向固有應變系數(shù)：=1.1cm³/MJ；根據(jù)得，縱向應變體積=0.207mm²根據(jù)得，橫向應變體積=0.099mm²根據(jù)經(jīng)驗取固有應變區(qū)域?qū)挾?a=2mm；依據(jù)公式， 得=0.01725；依據(jù)公式， 得=0.008253.2有限元模型的建立首先，建立三維實體圖形，尺寸比例為1：1，如圖3-2所示，圖3-2(a) 部件的三維實體模型圖3-2(b) 組合件的三維模型創(chuàng)建模型后，需要確定固有應變的區(qū)域，在上述的計算的中可以知道固有應變寬度為2a=2,h=3，位置在焊縫中心成對稱分布，它的具體位置及

41、尺寸見圖3-3所示。圖3-3（a) 固有應變區(qū)域二維圖圖3-3(b) 固有應變區(qū)域?qū)嶓w圖 在確定固有應變區(qū)域后，需要創(chuàng)建各向異性材料屬性，其中需要賦予母材彈性模量，泊松比跟初始屈服應力，焊縫除了需要賦予彈性模量，泊松比跟初始屈服應力外，還需要賦予橫向、縱向固有應變值。講材料的屬性賦予母材跟焊縫后，部件顏色將會變綠。此外ABAQUS中還有規(guī)定，采用各向異性材料的區(qū)域必須要有局部坐標，因此，需要建立一個關于焊縫的局部坐標。賦予部件材料性能跟創(chuàng)建局部坐標如圖3-4所示。圖3-4 部件被賦予材料性能并創(chuàng)建焊縫局部坐標 創(chuàng)建完焊縫的局部坐標后，需要根據(jù)剛建好的局部坐標，設定各向異性材料方向，部件的各向異

42、性材料方向如如3-5所示。圖3-5 設定各向異性材料方向 劃分網(wǎng)格，由于采用的是固有應變法預測焊接變形，故網(wǎng)格的單元類型選用8節(jié)點縮減積分三維實體單元C3D8R,同時為了保證計算的精度，網(wǎng)格的尺寸選用1mm，使焊縫中心剛好在網(wǎng)格線上，單元總數(shù)為12628，網(wǎng)格的劃分如圖3-6所示。圖3-6(a) 部件模型的網(wǎng)格劃分圖3-6(b) 組合件模型的網(wǎng)格劃分網(wǎng)格后，需要設定力學邊界條件，這其中的內(nèi)容包括在焊縫的底部取焊縫中點找一個固定點進行約束，以保證部件在數(shù)值模擬過程中不發(fā)生剛體位移；此外，還要設定溫度載荷，即通過降溫法來間接實現(xiàn)焊縫區(qū)域的固有應變收縮，焊縫區(qū)域上、面表面采用了綁定約束。至此建模的過

43、程就全部完成。第4章 模擬計算結(jié)果與分析4.1 焊接變形有限元結(jié)果分析如圖4-1所示為部件焊接后的應變圖。由圖中可知焊縫的寬度約為2mm，與計算結(jié)果一致，其中應變的主要區(qū)域集中在焊縫的兩側(cè)，其中應變最嚴重的區(qū)域在接頭始末端，最高的應變值達到3.064×10-3，而焊縫中段區(qū)域應變基本保持均勻，這是由于在焊縫區(qū)域施加了固有應變，而焊縫兩側(cè)因為受到周圍金屬的制約而不能自由收縮，因此在焊縫兩側(cè)就產(chǎn)生較大的應變。圖4-1 激光焊過程中工件的應變云圖4.2 焊接應力有限元結(jié)果分析如下圖4-2（a）所示為部件焊后的應力圖，由圖可知，應力的主要區(qū)域集中在焊縫區(qū)，其中焊縫始末端的應力較中部焊縫區(qū)的小

44、，應力最大值為8.210×102 MPa，這是因為焊縫受到兩側(cè)金屬的制約，不能自由收縮，而焊縫始末端受到的約束較中部區(qū)域的小，因此焊縫中部的殘余應力值最大，焊縫始末端的應力較小。圖4-2(a) 部件焊后應力分布圖 其中應力在三個方向上的分布如圖4-2（b），4-2（c）,4-2（d）所示，其中S11為X方向，S22為Y方向，S33為Z方向，由圖可知，應力主要集中在Z方向，而Y方向基本沒有殘余應力。圖4-2(b) 部件X方向上的的應力分布圖4-2(c) 部件Y方向上的的應力分布圖4-2(d) 部件Z方向上的的應力分布4.3 焊接變形有限元結(jié)果分析如下圖4-3（a）為部件焊后的變形圖，由

45、圖可知，變形的部位主要集中A,B這兩個位置，變形的最大數(shù)值達到0.63mm,這是由于焊縫施加固有應變時，A,B這個兩個位置所受到的約束較小，能相對的得到較大的自由收縮，固變形較大。圖4-3（a） 部件焊后變形分布云圖 如圖4-3（b），4-3（c）,4-3（d）為變形在三個方向上的分布，其中U1為X方向，U2為Y方向，U3為Z方向，由圖可知變形主要集中在Y方向，而X方向幾乎不發(fā)生變形。圖4-3（b）部件X方向上的變形分布圖4-3（c）部件Y方向上的變形分布圖4-3（d）部件Z方向上的變形分布第五章結(jié)論本文對焊接過程產(chǎn)生的應變以及焊后的殘余應力和變形進行了三維實時動態(tài)模擬的研究，提出了基于ABA

46、QUS軟件的焊接應力和變形的模擬分析方法，并針對激光焊問題進行了實例計算，而且計算結(jié)果與傳統(tǒng)的分析結(jié)果和理論值是相吻合的，通過本文的研究，得出了以下的結(jié)論。1.建立了車體側(cè)墻典型結(jié)構(gòu)激光焊變形的模型。2.部件應變的主要區(qū)域集中在焊縫的兩側(cè)，最高的應變值達到3.064×10-3。3.部件的焊縫區(qū)域殘余應力最大，應力的最大值為8.210×102 MPa。4.部件的變形區(qū)域在板的邊緣中部，變形的最大值為0.63mm。致謝本人的學位論文是在我的導師金成老師的悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，金老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。在此謹向金老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。在此，