畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯-厚板多道焊的焊接熱源校核

厚板多道焊的焊接熱源校核班級(jí)：姓名：指導(dǎo)教師：主要內(nèi)容1.緒論2.有限元計(jì)算原理3.厚板多道焊有限元模型的建立4.熱源模型校核結(jié)果與討論5.結(jié)論1.緒論1.1選題背景1.2數(shù)值模擬1.3數(shù)學(xué)模型1.4有限元1.5數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用1.6焊接數(shù)值模擬的前景與展望1.7本課題研究的主要內(nèi)容和意義選題背景焊接方法經(jīng)濟(jì)、靈活，能簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的構(gòu)造細(xì)節(jié)，節(jié)約材料，提高生產(chǎn)效率，改善工人勞動(dòng)條件。因此，目前大局部的工業(yè)產(chǎn)品，以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程、大型廠房、高層建筑等重要結(jié)構(gòu)，無一不采用焊接結(jié)構(gòu)。在研究焊接生產(chǎn)技術(shù)時(shí)，往往采用試驗(yàn)手段作為根本方法，但大量的試驗(yàn)增加了生產(chǎn)本錢，消耗人力物力，而數(shù)值模擬將發(fā)揮其獨(dú)特的能力和優(yōu)勢(shì)。隨著有限元技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速開展，為數(shù)值模擬技術(shù)提供了有力的工具，很多焊接過程可以采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。數(shù)值模擬隨著計(jì)算機(jī)、信息、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的飛躍開展，數(shù)值模擬技術(shù)已滲透到焊接的各個(gè)領(lǐng)域，關(guān)鍵部件焊接過程仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)優(yōu)化工藝過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和消除平安隱患起著日益重要、甚至不可替代的作用。焊接數(shù)值模擬的理論意義在于,通過對(duì)復(fù)雜或不可觀察的現(xiàn)象進(jìn)行定量分析和對(duì)極端情況下尚不知的規(guī)那么的推測(cè)和預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜焊接現(xiàn)象的模擬,以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象本質(zhì),弄清焊接過程規(guī)律。焊接數(shù)值模擬的現(xiàn)實(shí)意義在于,根據(jù)對(duì)焊接現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬,可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì),從而減少試驗(yàn)工作量,提高焊接接頭的質(zhì)量。數(shù)學(xué)模型在科學(xué)研究中，模型是人們用以認(rèn)識(shí)事物的一種手段和工具。數(shù)學(xué)模型是用數(shù)學(xué)語言描述的某個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的模型。數(shù)學(xué)模型可以定量地描述事物的內(nèi)在聯(lián)系和變化規(guī)律。因此，建立某個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，是人們對(duì)該事物認(rèn)識(shí)的一個(gè)質(zhì)的飛躍。數(shù)學(xué)模型也可分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類。建立數(shù)學(xué)模型必須正確理解現(xiàn)象，數(shù)學(xué)求解假設(shè)能很好地說明實(shí)驗(yàn)和調(diào)查的結(jié)果，那么此數(shù)學(xué)模型是正確的。有限元有限元法是焊接模擬技術(shù)中適應(yīng)電子計(jì)算機(jī)而開展起來的一種有效方法，它已經(jīng)成功地解決了工程領(lǐng)域中的許多問題，廣泛地用于研究焊接熱傳導(dǎo)、焊接熱彈塑性應(yīng)力和變形分析、焊接結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)的分析等。有限元法是適應(yīng)使用電子計(jì)算機(jī)而開展起來的一種比較新穎和有效的數(shù)值方法。這個(gè)方法20世紀(jì)50年代起源于航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析。1960年被推廣用來求解彈性力學(xué)的平面應(yīng)力問題。雖然這一方法起源于結(jié)構(gòu)分析，但是，由于它所依據(jù)的理論的普遍性，已經(jīng)能夠成功地用來求解其他工程領(lǐng)域中的許多問題。數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用目前，焊接數(shù)值模擬已普及各個(gè)焊接領(lǐng)域，主要研究?jī)?nèi)容有：〔1〕焊接熱傳導(dǎo)分析〔2〕焊接熔池流體動(dòng)力學(xué)〔3〕電弧物理〔4〕焊接冶金和焊接接頭組織性能的預(yù)測(cè)〔5〕焊接應(yīng)力與變形〔6〕焊接過程中的氫擴(kuò)散〔7〕特殊焊接過程的數(shù)值分析，如電阻點(diǎn)焊、陶瓷金屬連接、激光焊接、摩擦焊接和瞬態(tài)液相焊接等〔8〕焊接接頭的力學(xué)行為焊接數(shù)值模擬的前景與展望在計(jì)算機(jī)技術(shù)日益開展的今天，采用數(shù)值方法來模擬復(fù)雜的焊接現(xiàn)象已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)滲入到焊接的各個(gè)領(lǐng)域，取得了可喜的成績(jī)。然而應(yīng)該看到這些研究還是初步的，還有許多深入的研究工作要做。關(guān)鍵是要進(jìn)一步認(rèn)識(shí)焊接模擬技術(shù)的意義和作用，同時(shí)必須正確和真實(shí)地掌握和說明焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，才能建立起準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。而正確的數(shù)值模擬也有助于對(duì)焊接過程的進(jìn)一步理解。焊接數(shù)值模擬更重要的作用是優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，提高焊接接頭的質(zhì)量。因此焊接數(shù)值模擬技術(shù)具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本課題研究的主要內(nèi)容和意義焊接熱源具有局部集中、瞬時(shí)和快速移動(dòng)的特點(diǎn)，易形成在時(shí)間和空間域內(nèi)梯度都很大的不均勻溫度場(chǎng)，而這種不均勻溫度場(chǎng)乃是進(jìn)行焊接力學(xué)分析的根底。要想準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接剩余應(yīng)力的分布以及焊縫強(qiáng)度等就必須保證焊接熱循環(huán)的準(zhǔn)確性，就需要建立一個(gè)好的焊接熱源模型，因此，焊接熱源模型的建立是焊接模擬過程中不容無視的重要局部。本課題選取Q345為試驗(yàn)材料，采用不同性能的材料分別對(duì)焊接熱源進(jìn)行校驗(yàn)，并對(duì)多道焊截面進(jìn)行建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。2.有限元計(jì)算原理2.1焊接過程有限元分析理論2.2焊接過程有限元分析特點(diǎn)2.3焊接有限元模型的簡(jiǎn)化焊接過程有限元分析理論有限元法〔FiniteElementMethod，F(xiàn)EM〕，也稱為有限單元法或有限元素法，根本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。它是隨著電子計(jì)算機(jī)的開展而迅速開展起來的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。利用有限元分析時(shí)，首先將分析物體離散成為許多小單元，其次，給定邊界條件、載荷和材料特性，再求解線性或非線性方程組，得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力等結(jié)果，最后在計(jì)算機(jī)上，使用圖形技術(shù)顯示計(jì)算結(jié)果。焊接過程有限元分析的特點(diǎn)(1)模型是三維的，至少在焊接區(qū)域如此，以反映內(nèi)部和外表的不同冷卻條件;(2)由于快速加熱和冷卻，模擬的過程是高度瞬態(tài)的，具有與位置和時(shí)間相關(guān)的極不相同的梯度場(chǎng);(3)由于材料的熱一力行為，模擬的過程是高度非線性的，并與溫度密切相關(guān);(4)局部材料的瞬態(tài)行為取決于局部熱的歷史和力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變歷史;(5)焊接材料熔敷以及凝固后改變構(gòu)件的連接狀況;(6)焊接材料的狀態(tài)及顯微組織變化;(7)臨界情況下可能發(fā)生的缺陷和裂紋，使連續(xù)介質(zhì)的概念受到疑心。焊接有限元模型的簡(jiǎn)化非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題分析的根本控制方程為:

其中，c為材料比熱容，隨溫度變化;ρ為材料密度;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，隨溫度變化;T為溫度場(chǎng)分布函數(shù);為內(nèi)熱源;t為傳熱時(shí)間。3厚板多焊道有限元模型的建立3.1ABAQUS軟件3.2建模3.3定義分析步和輸出3.4定義載荷3.5劃分網(wǎng)格ABAQUS軟件ABAQUS是功能最強(qiáng)的有限元分析軟件之一，特別是在非線性分析領(lǐng)域，其技術(shù)和特點(diǎn)更是獨(dú)樹一幟，它融結(jié)構(gòu)、傳熱學(xué)、流體、聲學(xué)、電學(xué)以及熱固耦合、流固耦合、熱電耦合、聲固耦合于一體，可以分析復(fù)雜的固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，特別是能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題。ABAQUS不但可以做單一零件的力學(xué)和多物理場(chǎng)分析，同時(shí)可以做系統(tǒng)級(jí)的分析研究。ABAQUS軟件以其強(qiáng)大的有限元分析功能和CAE功能，被廣泛運(yùn)用于機(jī)械制造、土木工程、隧道橋梁、水利水工、汽車制造、船舶工業(yè)、航空航天、核工業(yè)、石油化工、生物醫(yī)學(xué)、軍用、民用等領(lǐng)域。ABAQUS能夠求解各種復(fù)雜的模型并能解決實(shí)際工程問題，在分析能力和可靠性等方面贏得廣闊用戶的贊譽(yù)。ABAQUS分析過程鋼管與吊座的焊接的幾何模型及其焊道層數(shù)和順序

各焊道的焊接工藝參數(shù)

焊道參數(shù)123456789焊速cm/min2018.528192021283842電流A200263263263263263263251251電壓V1925.225.225.225.225.225.226.826.8在CreatePart中創(chuàng)立2DPlanar并在Type中選擇Deformable，在BaseFeature中選擇Shell。在草圖繪制界面繪制草圖：

試件材料為Q345鋼，其各項(xiàng)熱物理性能如下：

導(dǎo)熱率導(dǎo)熱率T·mm/(s3·K)溫度K51.927351.7429351157342.767339.477327.2127329.71773密度質(zhì)量密度109kg/m3溫度K7.872e-092737.866e-092937.845e-093737.816e-094737.74e-095737.733e-096737.711e-097737.578e-0912737.552e-091773

熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)/℃溫度K6.12e-062736.17e-062938.31e-063731.099e-054731.231e-055731.322e-056731.371e-057731.616e-0512731.861e-051773潛熱潛熱mJ/mol固相溫度K液相溫度K2.77e+1117531793比熱比熱mm2/(s2·K)溫度K4.5e+082734.58e+082934.94e+083735.26e+084735.66e+085736.15e+086736.84e+087737.79e+0812734e+081773定義裝配件在環(huán)境欄的Module列表中選擇Assembly功能模塊。單擊工具區(qū)中的InstancePart工具，彈出CreateInstance對(duì)話框，如右圖所示。程序自動(dòng)選擇之前創(chuàng)立的truss部件，其他參數(shù)都選用默認(rèn)選項(xiàng)，單擊OK按鈕，完成部件實(shí)體的創(chuàng)立。此時(shí)，視圖區(qū)出現(xiàn)一個(gè)直角笛卡爾坐標(biāo)系，該焊接模型處于整體坐標(biāo)系的X-Y平面內(nèi)。由于該模型只包含一個(gè)部件，不需要進(jìn)行其他操作。定義分析步和輸出進(jìn)入Step功能模塊后，主菜單中的Step菜單及工具區(qū)中第一行的CreateStep工具和StepManager工具用于分析步的創(chuàng)立和管理。創(chuàng)立一個(gè)模型數(shù)據(jù)庫后，ABAQUS/CAE默認(rèn)創(chuàng)立初始步〔Initial〕，位于所有分析步之前。在初始步后創(chuàng)立一個(gè)或幾個(gè)分析步，單擊工具區(qū)中的CreateStep工具，彈出CreateStep對(duì)話框。由于該模型為厚板多道焊，所以創(chuàng)立9個(gè)分析步。創(chuàng)立了分析步后，ABAQUS/CAE會(huì)自動(dòng)創(chuàng)立默認(rèn)的場(chǎng)變量輸出要求和歷史變量輸出要求。單擊工具區(qū)中的CreateFieldOutput工具右側(cè)的FieldOutputManager工具和CreateHistoryOutput工具右側(cè)的FieldHistoryManager工具，分別彈出場(chǎng)變量輸出要求管理器和歷史變量輸出要求管理器，在管理器中進(jìn)行場(chǎng)變量輸出要求的創(chuàng)立、復(fù)制、重命名、刪除、編輯等。定義載荷選擇Module列表中的Load，進(jìn)入Load功能模塊。主菜單中的Load菜單及工具區(qū)中第一行的CreateLoad工具和LoadManager工具用于載荷的創(chuàng)立和管理。在CreateLoad對(duì)話框中的Name欄輸入載荷名稱Load1-Load9，在Step內(nèi)選擇用于創(chuàng)立的分析步Step1——Step9，其他采用默認(rèn)選項(xiàng)thermal、surfaceflux完成載荷施加，視圖區(qū)的焊縫外表出現(xiàn)表示集中力的箭頭，如右圖所示。

劃分網(wǎng)格為了控制焊接溫度,采用小的焊接工藝參數(shù),即小電流、小電壓和低的焊接速度.由于焊接速度較慢(v<10mm/s),為了準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)焊接溫度場(chǎng)分布,保證計(jì)算精度和提高計(jì)算速度,將其劃分為不均勻網(wǎng)格,在焊縫及其附近區(qū)域采用較細(xì)的網(wǎng)格,而在遠(yuǎn)離焊縫處采用較粗的網(wǎng)格.以下圖是劃分網(wǎng)格后的焊接模型。4熱源模型校核結(jié)果與討論所謂的焊接熱源模型，可以認(rèn)為是對(duì)作用于焊件上的、在時(shí)間域和空間域上的熱輸入分布特點(diǎn)的一種數(shù)學(xué)表達(dá)。熱輸入一般可用溫度、熱流、生熱率或熱流密度等來表示。在焊接數(shù)值模擬問題中，焊接熱源模型是以一個(gè)熱輸入邊界條件的形式結(jié)合到數(shù)值分析模型中去的。雙橢球型熱源模型:這種模型將前半局部作為一個(gè)1/4橢球,后半局部作為另一個(gè)1/4橢球。設(shè)前半局部橢球能量分?jǐn)?shù)為f1,后半局部橢球能量分?jǐn)?shù)f2,且f1+f2=2。前1/4橢球的功率密度函數(shù)為：后1/4橢球的功率密度函數(shù)為：

式中，fr+ff=2,ff=2/3,fr=4/3。根據(jù)以上公式可知，熱源中心前面的熱流分布比后面的熱流分布要陡得多，而后面的熱量分布要較前面多。橢球的兩個(gè)特征參數(shù)a與b可以改變熱流強(qiáng)度以及控制體積中的熱流分布，從而決定了焊接熱模擬的熔池形狀，a與b得取值應(yīng)當(dāng)使模擬的熔池形狀和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的熔池形狀相吻合。對(duì)于埋弧焊形成的焊接溫度場(chǎng)，橢球特征參數(shù)a與b的取值應(yīng)當(dāng)使模擬的熔池形狀和實(shí)驗(yàn)測(cè)定的熔池形狀相吻合。對(duì)于埋弧焊形成的焊接溫度場(chǎng)，橢球特征參數(shù)a、b和c可以分別表示為：a≈1.3×WWidth,b≈1.3×WDepth,c≈WDepth式中，WDepth為焊縫深度，WWidth為焊縫寬度。焊接熱源校核第一道焊縫的熱源分布圖

從圖中得出第一道焊道的焊縫寬度=3.8mm，焊道深度=6mm，由上述公式得出a=4.94mm,b=7.8mm,c=6mm。第一道焊縫的所有節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線第一道焊縫的平均節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

第二道焊縫的熱源分布圖

從圖中得出第二道焊道的焊縫寬度=6.5mm，焊道深度=4.13mm，由上述公式得出a=8.45mm,b=5.369m