基于Marc的焊接过程数值模拟方法研究与应用

摘要

焊接是现代生产中非常重要的一种材料连接工艺，焊缝质量的好坏对于结构的安全性能有着非常重要的影响。研究焊接过程的温度场和应力场将对提高焊接工艺、改善焊缝质量、保证焊接结构的强度提供很大的帮助。本文研究的目的就在于通过改进数值模拟中热源模型参数来提高数值模拟的精度，获得更准确的焊接温度场和应力场，并将其应用于实际焊接工艺的改进，为焊接技术的进步提供指导。
　　本文首先对常用对接焊接接头的网格划分方法、热物理性能参数的选取以及边界条件的设定方法进行了总结;其次对各种热源模型的特点和应用范围进行了分析，在总结前人工作的基础上结合自己的计算经验提出了一套双椭球热源模型参数选取方法，并用文献中的试验数据对其进行了验证，保证了方法的正确性。然后采用这种方法分析对比了考虑材料添加和不考虑材料添加两种模拟方法对熔池形态和残余应力的影响，通过分析得出采用考虑材料添加的模拟方法所得的熔池形态和焊后残余应力分布要比不考虑材料添加的模拟方法更合理。
　　在确定了焊接过程数值模拟方法之后，本文将这套方法应用于实际焊接工艺的改进。首先对匀速焊接过程进行了数值模拟发现匀速焊接存在起弧阶段焊不透的焊接缺陷，据此对变速焊接进行了研究，通过降低起弧阶段的焊接速度成功解决了起弧阶段未焊透的焊接缺陷;然后依据前人得出的公式计算出了SUS304奥氏体不锈钢的马氏体转变温度Ms，采用数值模拟方法控制双层单道焊的焊间冷却时间，通过控制焊间冷却时间利用第二道焊对第一道焊缝的二次加热作用使第一道焊冷却至马氏体形成温度的时间延长，减缓了冷却速度，从而避免了淬硬组织—马氏体的产生，这样可以有效预防焊后出现冷裂纹。最后采用数值模拟的方法对厚板多层多道焊采用V形坡口顺序单面焊和采用X形坡口对称双面焊两种工艺所得焊后变形和焊后应力分布进行了对比。得出采用V形坡口顺序单面焊容易产生较大的焊后角变形，且残余应力大小和分布要优于X形坡口对称双面焊;采用X形坡口对称双面焊几乎无焊后变形，但是残余应力大小和分布都不如V形坡口顺序单面焊。因此在实际焊接中对于V形坡口顺序单面焊要注意控制角变形，对于X形坡口对称双面焊要注意消除其焊后残余应力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 焊接温度场研究概况

1．2．2 焊接应力场研究概况

1．2．3 目前国内外研究存在的问题

1．3 本文的研究内容、研究特色及创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究特色

1．3．3 创新点

第二章 焊接技术和有限单元法

2．1 焊接技术简介

2．1．1 焊接工艺的分类

2．1．2 常用对接焊缝坡口类型

2．1．3 有限单元法在焊接中的应用

2．2 有限单元法

2．2．1 有限单元法简介

2．2．2 有限单元法的基本原理

2．2．3 有限单元法的优点及应用

2．2．4 有限元法的主要分析步骤

2．3 焊接过程有限元分析的特点

2．4 MSC．Marc的软件基础

2．4．1 MSC．MARC软件介绍

2．4．2 MSC．MARC软件结构

2．4．3 Marc分析焊接问题的特点

2．5 有限元模型的建立

2．5．1 焊接有限元模型划分网格的方法

2．5．2 焊接材料热物理性能参数

2．5．3 焊接有限元模型的边界条件

2．6 本章小结

第三章 焊接过程有限元分析方法及热源模型研究

3．1 保证焊接有限元分析方法精度的意义

3．2 焊接热源模型选取

3．2．1 Rosenthal的解析热源模型

3．2．2 高斯热源模型

3．2．3 半球状热源模型和椭球型热源模型

3．2．4 双椭球热源模型

3．3 双椭球热源模型参数选取方法

3．3．1 双椭球热源模型参数选取方法的确立

3．3．2 验证模型建立

3．3．3 有限元计算结果及分析

3．4 生死单元技术在焊接模拟中的应用

3．4．1 生死单元技术简介及研究现状

3．4．2 有限元计算及结果分析

3．5 本章小结

第四章 利用有限元仿真对焊接工艺进行改进

4．1 采用变速焊接避免起弧未焊透缺陷

4．1．1 匀速焊接与变速焊接工艺分析

4．1．2 有限元计算及结果分析

4．2 控制焊间冷却时间预防冷裂纹

4．2．1 马氏体转变温度的确定

4．2．2 焊间冷却时间的确定

4．3 多层多道焊坡口形态对焊接应力及变形的影响

4．3．1 有限元模型建立

4．3．2 焊后残余应力分布规律分析

4．3．3 焊后变形及应力对比分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢