(精品)单轴对称焊接工字梁残余应力研究毕业论文.doc

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1、单轴对称焊接工字梁残余应力研究摘要：焊接残余应力是影响梁整体稳定的重要因素，在梁整体稳定设计了双轴对称焊接工字梁的整体稳定系数，其他截面只能借用，合适与否，需要进一步的证明。因此，本文对单轴对称焊接工字梁的残余应力进行研究，为其整体稳定设计提供参考。本文以焊接过程的有限元理论为基础，总结前人的经验和成果，应用大型通用软件ANSYS对焊接过程进行三维数值模拟，首先采用间接法，对现有单双轴对称截面焊接工字梁实验进行模拟，以生热率的形式施加热源，同时通过“控制单元的生死”有效模拟了焊缝金属的填充、熔化和凝固过程，有限元计算结果与试验结果比较吻合，证实了计算模型的有效性，为用有限元分析焊接工字形截面梁

2、残余应力提供了一种方法，并对单双轴对称截面焊接工字梁残余应力进行计算对可知：单轴对称截面梁上下翼缘残余应力分布曲线与双轴对称截面上下翼缘残余应力分布区曲线类似，呈抛物线分布，但单轴对称截面上下翼缘残余应力在数值上并不完全相同，残余压应力在数值上有一定差别；单轴对称截面梁腹板残余应力分布曲线与双轴对称截面腹板残余应力分布曲线不同，腹板两端的残余应力并不成对称分布，靠近下翼缘一侧的残余压应力要小于靠近上翼缘一侧的残余压应力，呈梯形分布。这是由于上下翼缘宽度不同造成温度场分布不同，从而导致残余应力的不对称分布。通过研究梁翼缘宽厚比、腹板高厚比、上下翼缘宽度比等参数对单轴对称截面残余应力影响可知：在保

3、持上翼缘宽度不变的情况下，改变翼缘的厚度，随着翼缘宽厚比逐渐减小，上下翼缘和腹板的残余应力逐渐减小，受拉区有增大趋势；在保持腹板厚度不变的情况下，改变腹板的高度，随着腹板高厚比逐渐增大，上下翼缘的残余应力逐渐减小，受拉区逐渐增大，腹板上下残余拉应力逐渐减小，但是随着腹板面积的逐渐加大，腹板上下残余压应力逐渐加大，受压区有增大趋势；在保持上翼缘宽度不变的情况下，改变下翼缘的宽度，随着上下翼缘宽度比逐渐减小，上下翼缘和腹板残余应力有所增加，上下翼缘残余应力在分布趋势和数值上趋于一致，腹板上下残余压应力在数值上也趋于一致，梯度逐渐减小，单轴对称截面残余应力在分布曲线上趋于双轴对称截面残余应力经典分布

4、。通过对单轴对称焊接工字梁残余应力的模拟计算，为以后焊接结构的优化设计提供重要依据。关键词：焊接残余应力；数值模拟；单轴对称工字梁；生死单元 AbstractWelding residual stress is the effect of the whole stability of the important factors beam, the overall stability in beam design should be considered in the influence of the only put forward the dual axle welding symmetri

5、cally strander overall stability coefficient of the beam, and other section can only borrow, if appropriate, need to be further proof. Therefore, this paper single beam welding of axisymmetric encountered residual stress in research, for its overall stability provides referen-ce for the design.In th

6、is paper, the finite element welding process based on the theory, summed up the experiences and results, a large general-purpose application software ANSYS three-dimensional numerical simulation of welding process, first using the indirect method, symmetrical cross-section of existing single-axis be

7、am welders experiment simulation, in order to impose the form of heat rate of heat at the same time through the control unit of the life and death Effective simulation of the weld metal filling, melting and solidification process, finite element analysis good agreement with the experimental results,

8、 confirming the effective computational model sex, for the use of finite element analysis-shaped cross-section beam welders provide a method of residual stress, and single-axis symmetrical cross-section beam welders for residual stress calculation shows that: the upper and lower flange section beam

9、axis symmetrical residual stress distribution curve symmetrical cross-section from top to bottom flange with the biaxial residual stress distribution curve is similar to a parabolic distribution, but the uniaxial symmetry section of the upper and lower flange residual stress are not identical in val

10、ue, the residual compressive stress there are some differences in values; uniaxial symmetry beams with web biaxial residual stress distribution curve symmetrical cross-section of different web residual stress distribution curve, the residual stress at both ends of the web is not as symmetrical, clos

11、e to the lower flange side of the residual compressive stress is less than one near the top flange side of the residual compressive stress, trapezoidal distribution. This is due to the different upper and lower flange width of the temperature distribution caused by different, resulting in asymmetric

12、 distribution of residual stress.By studying the beam flange width to thickness ratio, web thickness ratio, the upper and lower flange width and other parameters of the uniaxial symmetry than the cross-section shows the residual stress effects: on the flange width to maintain the same in the case, c

13、hange the thickness of the flange, with the flange width to thickness ratio decreases, the upper and lower flange and web of residual stress gradually decreases with increase in tension zone trends; web thickness while maintaining the same circumstances, to change the height of the web, with the abd

14、ominal plate thickness ratio increases, the upper and lower flange of the residual stress gradually decreases gradually increasing tension zone, the web up and down the residual tensile stress decreases, but with the gradual increase in the area of web, web up and down the residual stress gradually

15、increased, there is increasing trend of compression zone; on the flange width to maintain the same in the case, change the width of lower flange, with the upper and lower flange width ratio decreases, the upper and lower flange and web an increase in residual stress, residual stress in the upper and

16、 lower flange distribution line on the trends and values, the residual compressive stress in the upper and lower webs value is also consistent, gradient decreases, the residual stress in the uniaxial symmetry cross-section on the distribution curve residual stress tends to biaxial symmetry classic c

17、ross-section distribution. Uniaxial symmetry by beam welders residual stress simulation, optimization for the future design of welded structures provide an important basis.Keywords: Welding residual stress; Numerical simulation；Monosymmetric I-section beams；Birth-death element第一章 绪论1.1 引言近年来，单轴对称焊接工

18、字梁在工程中的应用越来越广泛，与传统的双轴对称焊接工字梁相比，其上下翼缘的强度都得到了充分的发挥，承载能力明显提高，从而节省了用钢量，在钢材价格大幅上涨的今天更凸显其应用的价值1-2，钢结构的承载力一直是结构领域关注的焦点，影响单轴对称焊接工字梁承载力的因素很多，焊接残余应力是其中一个非常关键的环节。焊接的技术核心通常是构件局部加热熔化,随后是连续的冷却3。钢材在焊接和冷却的过程中, 其局部形成一个很不均匀的温度场, 由于膨胀和收缩的程度和速度不同, 温度场内各部分钢材的变形相互制约, 产生了不可逆转的塑性变形, 导致焊件在完全冷却后, 其上仍然存在着残余应力，即焊接残余应力4。残余应力的峰值

19、甚至可能达到或超过材料的屈服极限,当这些焊接构件投入使用时,它们所受载荷引起的工作应力与其内部的焊接残余应力相叠加,将导致焊接构件产生二次变形和焊接残余应力的重新分布,是的其在钢材的保证稳定性能的尺寸和它的刚度方面的能力下降了5。焊接构件的焊接接头的疲劳强度的问题和钢材的刚性的问题的影响因素在于，焊接时候的温度、焊接时候所处的环境及在焊接过程中产生的应力问题，在这三方面问题的共同作用下产生的，还会对结构的抵抗脆断的性能、腐蚀开裂的性能及其在高温下的蠕变开裂的性能产生降低的效果。综合上面的各种原因，对其的研究以逐步的成为结构领域的重点课题3。应用现代有限元技术，建立三维模型，对焊件进行仿真模拟，

20、掌握其产生和存在的规律性,并采取相应的技术措施改善其分布特性,对于提高焊接结构或接头的承载能力,延长使用寿命具有重要的工程实用价值，ANSYS是以有限元分析为基础的大型通用CAE软件,其强大的热、结构耦合及瞬态、非线性分析能力使其在焊接模拟技术中具有广阔的前景,已有研究人员基于ANSYS软件，编制了焊接残余应力数值模拟的程序,并给出了具体实现过程,利用该程序对实验焊接试板的残余应力进行了数值模拟,模拟结果与测量结果吻合较好，对于焊接残余应力的研究正在向着定量化、精确化的目标迈进6。1.2 焊接残余应力概述1.2.1 焊接残余应力的概念焊件在焊接过程中，热应力、相变应力、 加工应力等超过屈服极限

21、（Yield strength），以致冷却后焊件中留有未能消除的应力，这样，焊接冷却后的残余在焊件中的宏观应力称为残余焊接应力，焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。焊接过程中，焊缝区被急速的加热，并局部熔化，焊材受热膨胀，焊接热应力的产生是由于周围温度较低区域的约束，随着温度的升高，受热区域的屈服极限下降，有部分的焊接热应力的超出了常温下的屈服强度，这样，热压缩的焊缝区域形成，经过冷却降温，和附件的区域相比，减小、缩短或者变窄，所以，此区域就以残余拉应力为主，附近区域就以残余压应力为主，而降温冷却过程中由于纤维组织而产生的体积变化发

22、生在温度较低的区域，而且材料有较高的屈服极限，这样该区域就会以残余压应力为主，而且它的附近区域会议残余拉应力为主。 产生焊接残余应力的情况可以应用经验法则来判断：热应力为最后冷却的区域，焊接拉伸应力为主，焊接压应力是在相变的应力为主时。1.2.2 焊接残余应力产生的原因及影响因素焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中的不均匀加热所引起的，焊应力按照其发生的来源分为三种情况：直接产生的残余应力，不均匀加热和冷却导致的，决定在于不均匀加热和冷却的温度梯度，是焊接残余用应力产生的关键；间接产生的残余应力，焊接过程之前的加工状况导致的，焊件若经历过轧刹或拉拔时，都会使之具有此类残余应力，这种残余应力

23、在某种场合下会加到焊接残余应力上去，也往往会在焊后的变形中产生附加性影响，而且外界约束对于焊件产生的附加应力也应该归于此类型应力；组织变化产生的残余应力，相变导致比热容变化产生组织变化导致的，尽管因材料中碳的含量不同而异，但一般情况下这种影响必须要加以考虑的是发生相变的温度和平均冷却速度8。焊接应力的产生和发展是一个随加热与冷却而变化的材料热弹塑性，应力应变动态过程。以熔焊方法为例，影响焊接应力产生的主要因素有以下2个方面:(1)材料物理特性和力学性能的影响。热导率、比热容、密度或由这几个参数联合表示的热扩散率，是影响焊接温度场分布的主要物理参数。线膨胀系数随温度的变化则是决定焊接热应力应变的

24、重要物理特性。这些变化在焊接过程中，每时每刻都影响焊接温度场和焊接应力的分布。这些变化也构成了理论分析和数值计算(如有限元数值分析)时的复杂性和局限性，因此，在一般简化计算中，只用一定温度范围内的这些参数的平均值来求解。(2)不同类型焊接热源的影响。焊接时的热输入是产生焊接应力的决定性因素。焊接热源的种类、热源能量密度的分布、热源的移动速度、被焊接件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布，因而也改变着焊接残余应力的分布规律。在函数解析求解焊接温度场时，这种分类可使最终的计算公式简化。而用有限元方法数值求解时，原则上允许考虑任何复杂的情况;但实际上，为了节省运算时间，从经济的角度考虑也需作

25、相应的简化。1.2.3 焊接残余应力对焊接结构的影响在焊件过程中，焊接结构的残余应力和其所受载荷引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的重新分布，这不但会降低焊接结构的刚性和尺寸稳定性，而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。残余应力对结构性能的影响主要有以下几个方面: (1)残余应力对静载强度的影响。如果材料具有足够的塑性，且结构的受力特征使得其在承载后能充分表现其塑性变形能力，则当叠加后的应力峰值达到后就不再增加，仅产生塑性变形。应力未达到屈服强度的区域，则随着外力的增加，应力继续增加，整个截面上的应

26、力逐渐趋于均匀，直到构件截面上全部应力都达到屈服强度为止。只要材料有足够的塑性变形能力且能在承载后充分地表现出来，残余应力的存在就不影响构件的承载能力，即对构件的静载强度没有影响。但若因结构受力状态或结构自身特点使得其内在的塑性变形能力不能在承载后充分地表现出来，则残余应力将影响构件的承载能力。例如，虽然材料具有足够的塑性，但在低温环境下存在三向拉伸残余应力作用的情况下，会阻碍塑性变形的产生，从而也会大大降低构件的承载能力。如果材料是脆性材料或因结构受力状态或结构自身特点使得其内在的塑性变形能力不能在承载后充分地表现出来，由于材料不能进行塑性变形，那么，随着外力的增加，构件中不可能应力均匀化。

27、应力峰值将不断增加，直至达到材料的屈服极限值，并发生局部破坏，最后导致整个构件断裂。脆性材料残余应力的存在，会使承载能力下降，导致断裂。(2)残余应力对疲劳强度的影响。残余应力对于疲劳强度的影响是人们广泛关心的问题。如果构件中存在着残余应力，则它将始终作用于应力循环中，使整个应力循环的应力值偏移一个值，这种偏移只改变其平均值，不改变其幅值。结构的疲劳强度与应力循环的特征有关。当应力循环的平均值增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如应力集中处存在着拉伸残余应力，疲劳强度就降低。应力集中系数越高，残余应力的影响也就越显著。(3)残余应力对结构刚度的影响。当外载产生的应力与结构中某区域的残余

28、应力叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生局部塑性变形，丧失了进一步承受外荷载的能力，造成结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。在实际的生产中，各种焊缝和火焰校正都可能在相当大的截面上产生较大的残余应力，虽然它们在构件长度方向上的分布范围较小，但它们对刚度的影响是不可忽视的。特别是采用大量火焰校正后的焊接梁，在加载后可能产生较大的变形，而卸载后回弹量不足，应予重视。(4)残余应力对压杆稳定性的影响。构件截面上的压缩残余应力将与外载引起的压应力叠加。压应力的叠加使压应力区先达到屈服强度。该区应力不再增加，从而使该区丧失进一步承受外力的能力。这样就相当于削弱了构件的有效面积。应该指出，

29、残余应力的影响只在构件的一定的长细比范围内起作用。残余应力对受压杆件稳定的影响，在杆件长细比为90左右时最严重。当杆件的长细比较大(150)，它的临界应力本来就比较低时，或者当残余应力的数值较低时，外载应力与残余应力之和在失稳前仍未达到屈服强度，则残余应力对稳定性不会产生影响。此外，当杆件的长细比较小(30)，相对偏心又不大 (0.1)时，其临界应力主要决定于杆件的全面屈服，残余应力也不致产生大的影响。对翼缘的宽度与厚度的比值(B/t)较大的H形截面，压缩残余应力将降低翼缘的局部稳定性。局部失稳可在焊件服役过程中，焊接结构的残余应力和其所受载荷引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力

30、的重新分布，这不但会降低焊接结构的刚性和尺寸稳定性，而且在温度和介质的共同作用下，还会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度、抗脆断能力、抵抗应力腐蚀开裂和高温蠕变开裂的能力。(5)残余应力对机械加工精度的影响。焊件若未经消除应力处理，内部会存在自相平衡的残余应力。而机械切削加工把一部分材料从工件切去，如切削掉的是承受残余应力的部分金属，破坏了原来工件中残余应力的平衡，焊件则产生变形(称为二次变形)，从而使残余应力重新分布，以求得新的平衡。即便切削是在夹具卡固下加工，加工过程虽不会表现出这种二次变形，但当夹具一旦撤除，二次变形马上就会出现，仍然影响加工精度。保证焊件加工精度最彻底的办法是先消除焊接残

31、余应力，然后再进行机械加工，有时也可以在机械加工工艺上做些调整来达到这个目的。(6)残余应力对应力腐蚀开裂的影响。应力腐蚀开裂(简称应力腐蚀)是拉应力和腐蚀介质共同作用下产生裂缝的一种现象，在一定的材料和介质的组合下发生。由于拉应力的作用对金属表面腐蚀钝化膜不断破坏，从而加速腐蚀破坏过程。拉应力越大，发生应力腐蚀断裂越快，如有残余拉应力，则会和工作应力叠加，加速应力腐蚀开裂。1.3 课题研究的目的和意义在焊接梁中，由于焊接残余应力很大，从一开始加载荷起，焊接梁实际上也梁的弹塑性整体稳定系数是根据双轴对称焊接和轧制工字形截面简支梁在考虑等效残余应力情况下导出的，其它截面情况只能借用，是否合适，尚

32、需进一步具体分析。因此，分析焊接残余应力对单轴对称焊接工字梁整体稳定的影响，为其整体稳定设计提供参考，成为本课题的目的。而焊接残余应力是影响梁整体稳定的重要因素，在梁整体稳定设计中应对不同截面形式下焊接残余应力对焊接结构的影响加以考虑，以优化梁的整体稳定设计。要分析焊接残余应力对单轴对称焊接工字梁整体稳定的影响，就先要得到其残余应力分布，许多国家用各种方法对构件中的残余应力进行了测量,并通过统计分析,给出了普通工字型钢、焊接双轴对称工字形钢、轧制H型钢等截面的残余应力分布图，但是,能查阅到的有关单轴对称焊接工字形截面残余应力分布的文献较少，因此，准确全面的了解单轴对称焊接工字梁残余应力的分布对

33、其整体稳定设计具有重要意义8。近年来，焊接残余应力对结构承载能力的影响引起人们越来越多的关注。现件下的轴心受力焊接构件的整体稳定的系数，规范中钢结构划分为了8种不同的类型，是根据焊接结构所选用的焊接时候的焊缝的形式的不同。要计算焊接构件的承载能力的影响必须以求得焊接残余应力为基础，必须对残余应力有全面深入的了解8。目前对焊接残余应力研究的理论分析方法尚不成熟，主要通过试验测量，由于实验受到各种因素的限制，导致收集的数据的精度并不能达到要求，无法用于实际焊件残余应力的测定9。焊接残余应力分布规律的研究仍是钢结构领域的热点和难点10；随着ANSYS等大型应用软件的开发和利用,对于焊接残余应力的研究

34、也进入了仿真模拟的时代,它不仅可以减少实验的用时、减少花费,还能知道构件上残余应力连续的分布的趋势,焊接工艺得到了优化，但对于焊接残余应力的分析还有许多工作要做：首先，焊接残余应力数值模拟对计算机资源的耗费很大，如何合理简化焊接残余应力数值模拟的力学模型是有待解决的重要课题之一；其次，焊接残余应力的数值研究在精确性和稳定性方面还有一些问题，美国焊接结构研究中心P.DongF.W.Burst经过多年研究发现，目前焊接残余应力计算结果在很多时候偏大，也有极少数时候可能出现偏小的情况10-11，因此建立一套完整的焊接残余应力的数值分析理论及数值模拟方法尤其重要。针对以上的情况，本文应用Ansys对单

35、轴对称焊接工字梁进行焊接残余应力三维数值模拟分析，从而弥补单轴对称焊接工字梁在残余应力分析方面的不足，该研究成果无论是对承载力设计还是工艺设计都有一定的参考价值。1.4 国内外同类课题研究现状及发展趋势1.4.1 国内外焊接热分析研究现状热传导问题的研究早在30年代就开始了，首先是D罗森赛尔在热源方面的突破，其通过热分析中的以有的理论热传导的方程，研究了在固体中动态热源的传导问题；而正式在焊接过程理论方面进行一系列的研究的是Rykalin院士(苏联)，他的理论分析把热源具体的划分为了，点热源、线热源和面热源，这三种热源的表现形式，现在仍在使用，但是在分析过程中其没有研究材料的高温物理性能变化和

36、对方程的解答产生影响的构件在大小方面等因素，焊接过程中的关键问题就是在于，其焊接钢材的材料属性是随着温度的变化而变化的，并且不是呈现线性变化趋势，整个过程都是呈现为非线性的变化，之间钢材会发生各种复杂的变化，单纯的应用固定温度下的材料的属性，是无法很好的模拟真个焊接的过程，得到和现实相符合的结果，而焊接过程的在焊缝区域的非线性变化是研究焊接问题的重点，该理论在实用方面还存在一定的缺陷 12-14。对焊接过程的研究由原来的知识在理论层面的研究，转换到了实验研究上，一切理论的产生都要以大量的实验为理论基础，在实验的数据积累和测量的方面，木原博、稻埂道夫和Adames等人做出了大量的贡献，他们从前人

37、的已有的理论为基本点，结合自己的实验数据，通过一系列的整理和检验，推导出了在各种不一样的条件下比应用数学解析方法得出的方程的结果，更加的准确的焊接过程的热传导方程，采用这种方法也存在着一定的弊端，实验时间和精度方面的问题有待进一步的解决 13。计算机技术的快速崛起，带动了焊接热过程数值分析的发展，对焊接热过程的分析由实验阶段进入到了数值模拟，1966年Wi1Son和Nicken首次在固体的热传递中应用了有限元技术；随着时间的进一步的推移，有限元的方法的到了上田辛雄得应用，其比前人前进的方面在与他考虑了在焊接过程中十分重要的问题就是钢材材料在高温下的非线性的变化过程，从此焊接热分析被推进到了塑性

38、分析的阶段，大大使动态过程由繁到简；随着加拿大的 Poley和Hibbert论文的发表，对焊接热过程的分析由原来的单单有限元的理论分析，发展为可以编制简单的程序，可以对一些截面(矩形外)、单双焊缝、各种坡口焊进行焊接；接下来TTnouce，考虑了一些对焊接过程产生影响的温度因素和焊接温度场、应力场及其焊接过程出现的金属相变潜热耦合作用，并且构件在上述考虑条件下的焊接过程热的本构方程，为以后在这方面的研究的各位研究人士提供了很好的可以参考的资料 1517。国内对于焊接热的研究开始于唐慕尧(西安交通)等人，他们对薄板的焊接热过程的温度场的进行了分析，得到了其的温度随着焊接过程的分布规律，此规律符合

39、了，焊接过程中温度的基本假设，即准稳态分布，并和已有的试验的结果对比分析，证明了该方法的正确性，并以此编写了焊接热分析的程序 18。上面提到的程序的编写还是局限在线性计算，非线性的有限元分析由陈楚(上海交通)等人进行研究，在焊接热过程分析上有了一定的突破，他们考虑了各种在对焊接过程产生影响的重点问题，并且编写了相应的可以应用在静态动态热源和薄厚板件分析当中，虽然对焊接过程分析有向前推进了一步，但分析还停留在二维阶段，对大型和复杂的结构模拟还是无法和实际结果相符合 19。二维分析的局限性，推动了焊接热分析向三维方面发展，但是，三维分析也面临着各种难题，有待解决，这些难题都是基于焊接本身各种因素的

40、非线性的特点产生的，而不管是几维问题都要急需攻克的一个关键点，就是收敛和精度效率问题，由于大的非线性使得整个计算过程收敛十分困难，计算时间过长，王建华(上海交通)和日本大阪大学进行了三维问题的研究探讨，就三维分析中的关键问题，收敛和精度效率问题加已分析，提出了一些解决的方法，而且对一些实例进行了实际的模拟分析，对三维分析还有待进一步的研究，以能在保证又快又准确的条件下，更好的模拟复杂构件 20-22。热源的选取是焊接模拟过程中的关键的问题，在以往的二维问题中应用高斯热源就可以很好的模拟，但对于在三维条件下，高斯热源有些时候就不能很好的进行模拟，蔡洪能等人提出了热源模型双椭球运动电弧作用，应用节

41、点热烩的判断方法，进行低碳钢(A3钢)板试验中的焊接温度场中的温度分布进行分析，最终和试验中的结果的数据符合16,18。1.4.2 国内外的焊接残余应力研究的现状起始于20世纪30年代的一些简单的试验的测量和数据的整理，开始了人们对焊接应力应变进行分析和研究，然后5060年代通过研究人员理论经验和数据的不断积累逐渐的形成了一些在理论方面的权威理论作品例如梅兰和帕尔库斯的由于定常温度场而产生的热应力22-23和帕尔库斯单独写的非定常热应力24，全面的总结当时人们在焊接应力应变方面取得的一些进展。起初对焊接应力应变的分析从一维的问题开始，应用图解法分析焊接过程，其中奥凯尔布洛母等人(前苏联学者)在

42、分析中加进了温度变化对于材料属性的影响 13。对于尺寸稍大的构件，仅仅的解析方法无法满足分析的需求，人们开始向计算机程序编写的方面推进，首次应用编写的程序模拟一维板中堆焊由Tall等人完成 14。随着一维焊接应力应变的发展和完善，人们把分析逐步的向二维领域发展，70年代初，对接焊和平板堆焊的二维应力应变分析程序就由Iwkai和Muraki编制完善，二维分析成为了可能13。这一年代的又一个突破就是对焊接过程的另一个关键因素的考虑，就是焊接过程中金属的熔敷产生的相变组织变化 27。随着焊接应力应变理论基础的不断的完善，80年代，人们开始注重更深层次的研究，开始研究更加准确的焊接应力应变在分布上的趋

43、势，通过一些计算数据，如Josefson等人定位焊和薄壁管件等焊接应力过程研究数据的分析，提出了一些精度更高的焊接应力分布趋势和一些消减焊接应力应变的方法和措施 28。焊接应力应变的研究与计算机的发展密切结合，向着更加精确和细致的方面拓宽，对影响焊接应力应变的因素考虑越来越多，90年代，焊接应力应变开始考虑焊接过程当中热源的辐射问题、焊接过程中金属熔化产生的熔敷现象和焊接构件和空气之间的热传递的问题，Mahin等人在考虑了以上的因素的条件下，还考虑了温度场和应力场的耦合关系，选用实验的方法来矫正热源的分布趋势，计算出的焊接应力和用衍射中子得到的实验结果很好的得到了吻合；接下来TTnouce，考

44、虑了一些对焊接过程产生影响的温度因素和焊接温度场、应力场及其焊接过程出现的金属相变潜热耦合作用，并且构件在上述考虑条件下的焊接过程热的本构方程，为以后在这方面的研究的各位研究人士提供了很好的可以参考的资料；焊接应力应变的分析由薄板向着厚板，单层焊接向着双层焊接方向发展，Shim等人(美国)就在热弹塑性平面应变有限元理论下对多层焊接的厚板件实行了计算，并且比较了不同的焊缝形式(坡口)下的焊接残余应力，以此为依据，提取了关于厚板的焊接残余应力的分布的趋势 29。科技的发展总是由简单到复杂，二维焊接应力应变的完善，使得三维分析初见端倪，Chidiac(加拿大)首次在厚板的应力应变中建立了三维的有限元

45、的温度场分析模型，考虑了焊接过程中，由于高温熔化，而导致的材料本身显微晶体组织的变化和生长。近年来，I.RanjbarNodeh，S.Serajzadeh，A.H.Kokabii等人运用二维空间模型对点焊焊前和焊后的温度场和应力场进行了ANSYS数值模拟，得到随着焊接时间加长，焊缝周围的拉伸残余应力有减小的趋势，而随着焊接电压的升高，拉伸残余应力有加强的趋势30。Cleition Carvalho Silva,Jesualdo Pereira Farias 等人用手工电弧焊对小管进行了对接焊，并用X射线测量仪器进行测量，发现在相似的焊接参数条件下，残余应力得到两种结果，即可能很大，也可能很小，

46、但是他们还没有确定到底是哪种参数的小改变导致焊接残余应力的不一致性31。E.M.Anawa和A.G.OIabi对不同焊缝材料激光焊接进行了残余应力的测量和控制，得到焊接速度对焊接残余应力的影响最大，提高焊接的速度有助于降低焊接残余应力32，此外，激光能量大小对焊接残余应力有巨大的影响。Dean Deng和Hidekazu Murakawa的结论是在薄板焊接过程中厚度方向几乎不存在温度梯度，利用大变形理论数值模拟结果与实验值比较吻合，而利用小变形理论数值模拟与实验结果相差较大33。二十世纪九十年代，汪建华等人对焊接过程应用三维数值模拟，认为焊接温度场均属于典型的非线性瞬态热传导，探讨了影响收敛进

47、度的因素算，并提出了若干解决计算精度的问题。1996年，顾强陈和绍蕃，应用热弹塑性应力分析理论，有限元法计算了厚板焊接箱型截面的残余应力分布34。2003年，陈丽敏和陈思作，根据热弹塑性应力理论、有限元理论,用大型有限元软件ANSYS对焊接工字型截面梁进行残余应力分析，分析结果表明，焊接残余压应力的分布与截面几何参数有关,为用有限元分析焊接工字型截面梁残余应力提供了一种方法35。2006年，北京大学的杨娜，龙丽华等人以有限元分析软件ANSYS为工作平台,基于非线性板壳有限元理论,采用壳单元对轻型门式刚架中H型钢楔形薄壁梁进行考虑双重非线性的全过程分析,分析了残余应力，对变截面和等截面H型钢梁的

48、相关屈曲性能的影响,残余应力的存在与否对构件相关屈曲性能影响很大,因此,在H型钢楔形梁的相关屈曲分析中必须考虑纵向残余应力的影响，残余应力峰值越大,构件延性越好,但是同时极限承载力越低36,37。2007年清华大学的杨文等人针对钢板对接焊缝及腹板与翼缘角焊缝连接的工字型截面梁，研究了焊接的温度场，残余应力分布及残余变形，并且通过有限元计算进一步研究了由于焊接残余应力的存在，热影响区内钢材受力性能的变化38。同年哈尔滨工业大学的张壮南等人通过比较试验和有限元分析,研究了焊接残余应力对单轴对称工字形悬伸梁和连续梁的整体稳定承载力影响，并在其博士论文39中采用截面法对焊接单轴对称工字形截面的残余应力

49、分布进行了测量，根据实测值，建立了接近试验情况的单轴对称工字形截面残余应力分布模型11。同济大学的吴芸和张其林焊接铝合金构件残余应力试验研究,通过对测试数据的分析整理,得出纵向焊接工字型截面构件残余应力的分布情况,为进一步总结焊接铝合金构件残余应力的分布规律及研究残余应力对构件承载力的影响提供了基础。2008年，西安建筑大学的冯艳辉在其硕士论文中分析了残余应力对焊接梁的影响9。2010年清华大学的班慧勇等在残余应力实验研究中提出了适用于Q420高强等边角钢的较为准确和安全的残余应力分布模型和计算公式40。1.4.3 焊接残余应力数值模拟的发展趋势利用计算机研究焊接应力和变形问题始于20世纪60年代，主要研究一维焊接应力的产生机制41。20世纪70年代以来由于有限元技术的发展，数值模拟方法在焊接应力变形中的研究和应用日益广泛，但基本上是针对