焊接条件对裂纹特性影响的有限元分析

摘要

在焊接过程当中，焊缝和热影响区附近必然会产生复杂的三维焊接残余应力和一定的微观缺陷，焊件中的微观缺陷随着服役时间的增加会进一步扩展为裂纹，甚至导致突发性和灾难性事故。由于焊接结构广泛应用于桥梁、航空、船舶、汽车、建筑和核电等各个领域，与我们的生活息息相关，因而探索抑制裂纹扩展方法具有一定的理论意义和应用价值。
　　本文以焊接工艺学、传热学、断裂力学、计算力学等多学科理论为基础，以有限元方法为工具，针对不同焊接条件产生的不同残余应力场对J积分的影响开展了研究与讨论。主要研究工作包括：⑴基于ABAQUS和FORTRAN平台建立了标准紧凑拉伸试件在不同焊接条件下的生死单元焊接模型，计算了相应的温度场；⑵建立了顺序耦合焊接力学模型，计算了不同温度场过程导致的焊接残余应力；⑶建立了标准紧凑拉伸试样的三维断裂力学有限元模型，计算了外载荷单独作用下以及残余应力与外载荷联合作用下的裂纹尖端附近的应力场和J积分；⑷对比了不同焊接条件下的残余应力场对J积分的影响。最终建立了焊接条件和J积分之间的关系规律，研究发现焊接电流、焊接方向、焊接速度、焊缝位置、焊件厚度以及冷却时间都会引起焊接残余应力场的重新分布，并对焊接件的裂纹特性产生有利或不利影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究概况及发展趋势

1．2．1 国内外关于焊接对残余应力重分布影响的研究概况

1．2．2 国内外关于焊接残余应力对裂纹影响的研究概况

1．3 主要研究内容和方法

2 基本理论

2．1 焊接传热和焊接力学相关理论

2．1．1 焊接传热的基本形式

2．1．2 热弹塑性力学基本理论

2．2 断裂力学基本理论

2．2．1 线弹性断裂力学与应力强度因子

2．2．2 弹塑性断裂力学与J积分

3 焊接温度场模拟分析

3．1 热源的选择

3．1．1 高斯面热源模型

3．1．2 椭球形热源模型

3．1．3 双椭球形热源模型

3．2 含裂纹紧凑拉伸试件焊接模型的建立

3．2．1 几何参数

3．2．2 材料属性

3．2．3 网格划分

3．2．4 生死单元设置

3．2．5 边界条件

3．2．6 热源子程序与热载荷

3．2．7 提交分析作业和后处理

3．3 焊接电流改变的焊接模型建立

3．4 焊接方向改变的焊接模型建立

3．5 焊接速度改变的焊接模型建立

3．6 焊缝位置改变的焊接模型建立

3．7 焊接厚度改变的焊接模型建立

3．8 冷却时间改变的焊接模型建立

3．9 本章小结

4 裂纹尖端附近焊接残余应力场分析

4．1 含裂纹紧凑拉伸试件残余应力场的引入

4．1．1 导入模型

4．1．2 设置分析步

4．1．3 网格划分

4．1．4 预制裂纹

4．1．5 载荷与边界条件

4．1．6 提交分析作业和后处理

4．2 改变焊接条件后残余应力场的引入

4．3 本章小结

5 J积分计算

5．1 未焊接CT试件的J积分计算

5．1．1 理论计算

5．1．2 有限元计算

5．2 焊接CT试件的J积分计算

5．3 本章小结

6 焊接条件对J积分影响的有限元分析

6．1 未焊接CT试件的断裂性能

6．2 焊接对CT试件断裂性能的影响

6．3 焊接电流改变对残余应力和J积分的影响

6．4 焊接方向改变对残余应力和J积分的影响

6．5 焊接速度改变对残余应力和J积分的影响

6．6 焊缝位置改变对残余应力和J积分的影响

6．7 焊件厚度改变对残余应力和J积分的影响

6．8 冷却时间改变对残余应力和J积分的影响

6．9 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢