外文翻译——高强钢薄壁板间焊接节点的残余应力研究.doc
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1、Residual stress study of welded high strength steel thin-walled plate-to-plate joints part 2: Numerical modelingC.K. Lee*,S.P. Chiew,J. JiangThin-Walled Structures 59(2012)120-131高强钢薄壁板间焊接节点的残余应力研究 第二部分:数值模拟C.K. Lee*,S.P. Chiew,J. Jiang薄壁板结构 59期(2012年)120-131页高强钢薄壁板间焊接节点的残余应力研究 第二部分:数值模拟摘要: 在当前研究的第二
2、部分中,通过进行顺序耦合热应力分析来模拟RQT701高强钢薄壁板间焊接节点的焊接过程和最终残余热应力分布。与测试结果相比较证实了数值模拟的精确度和可靠性。在完成校验建模过程的准确性后,进行了小规模的参数化研究来探究某些关键焊接工艺参数对残余应力的大小及分布的影响。关键词:参与应力分布,高强钢,薄壁板间T型和Y型焊接点,焊接工艺参数1引论焊接是一种通过熔化工件和填充料来形成熔池的加工过程,被频繁地在钢结构的构建中使用。在电容焊中,因为高度局部化、不均匀、短暂的热效应以及材料在高温下的非线性性质,引起了残余应力的。焊接过程中可能在高热影响区产生拉伸残余应力进而导致疲劳断裂失效。对于薄壁板连接件,当
3、母材是高强钢的时候,这种效应更加明显,高强钢与传统低碳钢相比常表现出很低的延展性。既然如此,大的残余应力可能影响连接件的疲劳和强度性能。因此,当高强钢用于结构的连接时,对焊接残余应力的更好的估计是必要的。在焊接过程中,金属内部的热传递以及表面的对流和辐射导致熔化的金属冷却和对流。因此,掌握温度随时间的变化来评估变形和残余应力是必要的。焊接中的热传递过程在残余应力的形成中起到了关键作用。在焊接过程中,结构受热不均匀以至于引起融化带很高的温度梯度。同时,熔体区钢材的微观结构也被改变。热影响区的膨胀效应被附近的材料限制以至于产生了压塑形应变。最后,在冷却过程中,熔化物从附近的材料有限的收缩,拉伸残余
4、应力因此形成。总的来说,焊接是一个复杂热力耦合过程,为了弄清楚不同的关键焊接参数对最终残余应力分布的影响,连续的数值研究被认为是必要的。为了精确预测焊接残余应力场,有必要建立一个可靠的热学模型来描述分析焊接过程中的热传递过程。Sheng和Chen【1】 在热力分析中合作建立了一个流体流模型。Goldak et al.【2】建议创建可靠的热输入模型的最好的方法是实验测量温度场同时调整热输入值直到达到较好的一致。【3】表明当热源被校正时,用于计算焊接加工的方法足够产生很好的符合预期的残余应力。Masubuchi【4】对一些模拟残余应力的热输入模型做了一个总结。Hibbitt和Marcal【5】用表
5、面热输入和一个冲量方程来描述焊接填充料附加的热。很多研究者【611】对不同种类的焊接案例中残余应力建模技术进行了探索。此外,【12-19】对焊接的力学效应做了一些评论。在焊接仿真中,一些简化和假设被频繁的使用来减少计算成本。集成块技术是在数值模拟过程中两个或更多焊接通道被联合进一个块中,是一种最普遍使用到的技术,用于获得精确度和计算成本之间的一个合理的平衡。为了证实这一技术的可接受性,一些研究者调查了不同集成块组合的影响【参见20-24】。命名表A 焊接块横截面积 t 热传播时间c 比热容 母板厚度 从焊接块继承的热量比率 U 焊接弧电压E 钢的杨氏模量 A 热膨胀效率 钢的屈服强度 热辐射效
6、率h 传递效率 斯特藩玻尔兹曼效率 集成块的高度 P 材料质量密度I 弧电流 泊松比Kt 平均冷却速率 焊接角 材料导电率 温度场梯度 焊接块的宽度 模型中时间增量q 从外界进入焊接块的热量 节点间距离 热转移中热传递净比率 【C】 热电容矩阵 热转移中热辐射净比率 【K】 热传导率矩阵r 实体内创生的热量 Q 外部通量向量 T 温度 T 温度场 室温(30) 应力场 基准温度 HSS 高强钢 HAZ 热影响区由于测试是昂贵的、耗时长的并且获得的数据是有限的,有限元模型被广泛用于研究焊接引起的残余应力变形和分布。因此,这篇文章中仔细挑选的顺序耦合热力分析程序应用于高强钢板间节点残余应力分析,文
7、献【25】中早前对此做过实验性研究。分析程序的验证要通过比较数字结果和实验结果得出结论。完成验证建模程序的精确性后,进行了小规模的参数研究来探究诸如边界条件、预热温度、焊接信道数、焊接速度以及焊接序列等关键焊接参数对残余应力的大小和分布的影响。2.建模过程和技术2.1 综述在这篇文章里,用有限元建模程序包ABAQUS【26】来模拟焊接过程。顺序耦合热应力分析的实施通过假设应应力解取决于温度场而没有相反的依赖。顺序耦合热应力分析的运行需要先解决非线性的短暂热传递问题,然后随时间变化的温度数据以预定义字段的形式输入应力分析模型(图1)。在热分析中,假设焊接中产生的应力对温度场的影响可以忽略不计,此
8、外,热对流和辐射效应都考虑在模型中。表1为顺序耦合热应力分析过程做了总结,因此在实验研究【25】中,会发现金属板中截面(节点B,B1,B2,B3所处的截面,见参考文献【25】图7)上残余应力远高于两端面的。为了减少数值建模的计算成本,创建了二维平面应变模型来研究薄壁板间焊缝中截面残余应力的变化【27,28】。用于分析的二维有限单元网格展示在图2。注意到,为了优化数值建模的效率,用大的单元来离散化母板,而用精细化的单元来离散化焊接填充料。2.2 集成块技术一种很流行的简化建模过程及减少所需计算成本的方法是集成块技术【20-24】。当采用这种技术,两个或更多的焊缝被压缩成一个块。因此,相对于对每一
9、个焊缝分析温度变化和应力形成,数值仿真将仅仅需要对少数的块做分析。使用不同的块组合,最粗糙的和最精确的结果能分别通过分析仅使用一个块和尽可能如焊缝一样多的块来得到。事实上,需要挑选一个合理的块数来使精确度和计算成本平衡。在实验研究【25】中,记录在板与板间焊接中采用了9-22道焊缝。而在数字化研究中,发现他们能集成4个焊接块来减少建模程序的计算成本同时维持建模结果的精确度。2.3 焊料添加技术单元生死技术用于模拟焊接填充材料的添加【26】,建模刚开始的时候,所有对应于焊接填充料的单元被停用,这通过设置他们的刚度为零来实现。随着焊接的进行,禁用的单元能通过赋予他们合适的单元性质而使之激活。这种单
10、元生死技术将建模过程简化为仅仅需要一个有限单元网格。然而,这种技术也可能给应力分析阶段引入问题。由于加热和冷却过程会产生大的位移,尤其是靠近那些很多死单元所在的地方,旧的和新添加的单元的边界可能强烈的歪曲。此外,试图将新的填料添加到变形模型中会导致从先前焊缝继承的残余应力的重新分布。为了消除这种不利的影响,当一组新的单元被添加后要执行一项附加的步骤。在这一步骤中,一个较小的刚度被赋予新增单元,在其真实值上乘以一个缩小系数0.35,而塑性应变被从模型中去除,每一个附加的步骤持续1s,这个时间在虚拟热传递和应力分析时间内被减去,因此这个步骤被用于从先前的焊缝到下一个附加的焊料传递变形几何。如图2所
11、示,节点模型首先创建,包括母板和填料的全部单元。在分析的开始,所有的焊接填充料单元首先被停用,当焊接开始后,焊接填充料的第一个集成块在0.001s被激活(图2b),第二个和其它的集成块一次激活。(图2c-e)2.4热转移分析热转移分析的实施基于热平衡原理,这一原理的数学表达式为:在等式(1)中,q是穿过截面s的单位电流面从外界进入材料的热量,r是材料内单位体积产生的热量,是材料密度,是单位质量内的能量,是温度场的任意变化量。在热分析中,对2D模型进行短暂的非线性分析来确定温度变化范围,这贯穿于焊接的加热和冷却过程,热量q通过联系焊接速度V来模拟,焊接速度V是与弧电压u(26v)和弧电流I(17
12、0A)相联系,在数值模拟中,一个合理的加热时间应该被确定,它体现目标截面上移动热源产生的效果。这通过调节热源密度曲线的振幅来实现,通过这种方式,熔体区达到焊点温度(1300-1400)而热影响区最高温度达到500-600, 分布式热量用等式表达为: 在等式(2)中,是弧效率因素,取值0.8, 是每一个集成块的密度,是每一个集成块的高度。一个典型的热转移分析包括热学材料非线性和边界非线性的分析,材料非线性包括热传导率k和比热容c,这是温度的函数,边界非线性包括热传递和热辐射效应,这两者都在节点表面热损失的建模中考虑到。热传导效率h指定为15W/ ,,热辐射系数设为0.2,在所有的数值建模中,RQ
13、T701高强钢板的热传导率,比热容和热膨胀系数随温度的变化从欧洲规范3第1,2节获取,如表3所示。为了评估不同的关键焊接参数对节点冷却速率的影响。在给定节点上一点计算平均冷却速率Kt,对节点上的选定点,Kt定义为达到最大温度与温度将至100时间内的温度梯度,计算式为 :在等式(3)中,是焊接过程中达到的最高温度,是达到最高温度的时间,是温度降至100的时间。2.5 机械分析在机械分析中,从热分析中获得的温度记录作为热载荷加载到应力分析模型。为了方便将温度场施加到应力分析模型,这里使用了一种兼容的具有相同网格拓扑结构和单元编号的网格。然而应当注意到为了获得精确的应力分析结果,在分析中采用了CPE
14、8R单元,这是一种8节点二次降阶积分平面拉伸单元。而在热分析中采用4节点线性单元DC2D4来获得稳定的结果,表1总结了分析模型的详细信息。温度决定的RQT701高强度钢板的热属性从欧洲标准3第1,2节获取,而包括杨氏弹性模量E,屈服强度和极限强度在内的机械性能通过在室温和有关实验标准【31】推荐的高温进行取样实验获得。图4所示为以温度作为自变量的机械性能函数变动以及其与欧洲标准3推荐值的对比。注意到,因为欧洲标准3主要针对运用于普通低碳钢,在欧洲标准3的曲线和测试曲线之间存在可以观察的差异,尤其是对于使用高强钢板的杨氏弹性模量E的值。3.模型评估和结果3.1 模型的评估 在这一部分中,为了评估
15、模型的精确度,将从顺序耦合热应力分析获得数值仿真结果与实验获得的数据做比较,在实验研究【25】中,12个节点被焊接(支撑板未减去)进行残余应力测量。因此,12个数值模型相应测试节点而被创建。表2列出了可获得实验结果的测量点的详细结果。在完成与所获得的实验结果相对比后,一般情况下会发现采用的数值模型能够在合理的精确度内预测所有测试节点的残余应力。 表5和6比较了从六个90焊接节点测试获得的结果。从表5可看到,对于进行预热的节点,5处测量点处数值仿真与测量横断面残余应力值的差异是合理的(31.0MPa,39.1MPa和1.0MPa依次对应8,12,16试样),让人兴奋的是可以观测到在数值研究中,不
16、同板厚节点的残余应力变化比相应从实验测量获得结果更小,这一现象可解释为在实际焊接过程中,不完美因素例如剥落,未焊透以及几何缺陷经常会出现。然而,在所有位置,模型与测试的应力差都小于50MPa,类似的,如图6所示,室温下焊接的90节点,尤其是5节点处,模型结果和测试结果很好的吻合。图7和8提供了6个135节点的模型结果与测量结果之间的类似对比,对于预热节点5测量点,数值模型和测量结果的差异再一次非常合理(16.7MPa,38.6MPa,11.1MPa依次对应8,12和16节点),在图8中类似的结果再次可以观察到,除了16节点处有64.2MPa的差异。3.2对建模结果的讨论3.2.1温度分布记录为
17、了理解焊接中温度变化和残余应力的形成过程,焊接区附近的温度分布被仔细研究,来自角度135厚度t1=12室温焊接的节点的典型结果在这个部分作为案例来讨论。图9展示了这个节点焊接区(图2(a)被虚线包围的面积)附近的温度分布记录,图9(a)展示了焊接开始后1.0s时的温度分布,在此时,当所有其它的焊接集成块仍旧被停用,热量大部分仅仅传播到一小块靠近弦和支撑板内截面的地方.图9(b-d)展示了在第二、第三和第四集成块被添加后1s时刻相应的温度分布,从图9(a-d)可以看出:随着焊接的进行,更多的热被从热源中心(激活的集成块)转移到板块的端部,当传播时间到达300s时(图9(e)),冷却过程中的一个短
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