用有限元法预测焊接变形和残余应力

摘要

为了制定合理有效的船体结构设计基本原则，对船体分段的焊接变形作仿真计算是很有必要的。仿真计算的最终目标是给出一个最适宜的焊接流程，使得结构因焊接产生的残余变形和残余应力降到最小。焊接过程中会有多种物理现象同时发生，在本论文中，通过具体算例阐述了焊接的基本原理和各参数之间的关系，表明了有限元计算的实用性。计算过程中的误差一部分来源于切割和焊接产生的热变形，一部分来源于人为因素带来的尺寸改变，这些误差的矫正工作必然会增加生产成本。 本文的工作目标是对平板堆焊和角接焊这样的典型焊接形式进行仿真计算。首先建立一个可移动的热源，再进行钢板中的温度分布的计算，用固有应变法计算焊缝附近的等效收缩力，最后测量实验模型的焊接变形，并用ANSYS软件作相应的有限元分析，最终得到平面内的收缩量和平面外的角变形值。计算中的模型是三维的平板，其焊接残余应力也是三维分布的，用ANSYS的APDL语言实现了热源在板上表面沿直线焊缝的移动。本文得到的有限元计算结果与实验值吻合良好，得出的变形和应力曲线图也与理论分析一致。 计算机对焊接的仿真不仅仅停留在科学理论研究上，已经充分发展为几乎能够用于工业生产中的各类简化问题中。本文的研究表明了使用固有应变法作为焊接仿真分析工具的优点。