论文总字数：19380字

摘 要

SUS310钢为单一的奥氏体不锈钢，具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，广泛应用于加热炉、热交换器等高温部件。本文运用大型有限元分析软件ANSYS 对SUS310钢板焊接温度场和焊接残余应力场进行了三维动态模拟的研究，运用参数化编程语言APDL中的循环语句和生死单元技术，控制模拟焊接过程。本文的主要研究内容及结论如下：

（1）随着焊接热源移动，第一道焊缝温度急剧升高，达到了2350℃，之后又急剧下降，在第二道焊接时，层间温度达到500℃。同时，第一道焊缝焊接时相对于第二道有预热作用，预热温度可达500℃，当第二道焊缝焊接时，最高温度为2000℃左右，随着冷却的进行，最终温度为200℃左右。

（2）焊缝处在x方向最高拉应力约为191MPa，远离焊缝转化为压应力，压应力最大约为-32MPa。z方向应力最大约为340MPa，之后开始缓缓下降并转化为压应力，最大压应力约为-190MPa。焊缝边缘处x方向应力分布极不均匀，最高约为150MPa，最低处为-25MPa。沿z方向应力均为拉应力，两端小，中间大。母材上x方向中间压应力约为-23MPa，两端拉应力高达150MPa。z方向两端应力为2MPa，中间部位压应力约为-160MPa。

关键词：焊接；数值模拟；温度场；应力场；SUS310

Abstract

As a single austenitic stainless steel, SUS310 has high temperature strength, good oxidation and corrosion resistance. It is widely used in high temperature components, such as heat exchangers，heating furnace and so on. In this paper, the welding temperature field and welding residual stress field of SUS310 is built by the three-dimensional dynamic simulation using the finite element analysis software of ANSYS. This paper utilizes element birth and death technique of parametric programming language APDL to control simulation of welding process. The main contents and conclusions are as follows:

(1) With the welding heat source moves, the weld temperature of the first pass rises to 2350 ℃ sharply, and then a sharp decline in the second pass welding. The interpass temperature reaches 500 ℃. Meanwhile, the first welding seam preheats the second welding pass, and the preheat temperature is up to 500 ℃, The maximum temperature is about 2000 ℃ for the second welding pass, with the cooling temperature is eventually about 200 ℃.

(2) The maximum tensile stress in the x direction is about 191MPa, away from the weld into compressive stress; the maximum compressive stress is about -32MPa. The maximum stress in z direction is about 340MPa, and then slowly fall into compressive stress, the maximum compressive stress is about -190MPa. The stress distribution in x direction at the edge of the weld is very uneven and up to about 150MPa, the lowest for -25MPa. The stress in Z the direction is tensile stress, and it is small at two ends and big in the middle. The pressure stress in x direction on the base material is about -23MPa, and the tensile stress is up to 150MPa at two ends. The stress in z direction is 2MPa at two ends and about -160MPa in the middle.

Keywords: Welding, Numerical simulation, Stress field, Temperature field, SUS310

目 录

摘要 I

Abstract I I

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 单元生死简介 1

1.3 单元生死技术在国内外的发展研究现状 2

1.3.1 焊接热过程分析 3

1.3.2 焊接冶金分析 3

1.3.3 焊接应力应变分析 3

1.3.4 特种焊接过程分析 4

1.3.5 焊接中氢扩散分析 4

1.4 焊接模拟的发展趋势 5

1.5 课题研究内容和方案 5

第二章 焊接基础知识和ANSYS介绍 6

2.1 引言 6

2.2 焊接温度场的分析理论 7

2.2.1 固体热传导的基本形式 7

2.2.2 非线性瞬态温度场热传导的有限元分析 7

2.3 焊接残余应力的分析理论 7

2.4 ANSYS在焊接中的应用 8

2.5 单元生死技术 9

2.6 有限元模型建立 10

2.6.1 材料特性参数 11

2.7 划分网格 12

2.7.1 建立平面模型 12

2.7.2 网格划分 12

2.7.3 杀死单元 13

2.7.4 对流边界 14

2.7.5 位移约束 15

2.8 本章小结 15

第三章 模拟结果分析 16

3.1 焊接温度场的计算 16

3.1.1 焊接温度场云图 16

3.1.2 选取节点并分析各节点 17

3.2 焊接应力场的计算 20

3.2.1 焊接应力场云图 20

3.2.2 选取节点并分析各节点 21

3.3 本章小结 25

第四章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1 引言

焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程,单纯采用理论方法,很难准确的解决生产实际问题。因此,在研究焊接生产技术时,往往采用试验手段作为基本方法,其模式为理论 试验 生产,但大量的焊接试验增加了生产的成本,且费时费力。随着计算机软硬件技术的快速发展,引发了虚拟制造技术的热潮,这其中就包括焊接热加工过程的数值模拟。焊接数值模拟技术的出现,为焊接生产朝󰀂理论 数值模拟 生产!模式的发展创造了条件。焊接数值模拟技术的发展使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。

钢结构中的重要工艺，是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。焊接温度场是焊接工艺性是否合格的重要前提，焊接过程当中的应力场的变化及焊后残余应力和变形是减少焊缝裂纹和提高焊缝质量的重要参考依据。传统的方式是通过实验来获得这些数据，但是实验过程受到种种因素的影响而且消耗的时间较长，成本较高，而运用ANSYS有限元分析软件在电脑上对焊接过程进行模拟，已成为一种模拟焊接过程温度场的有效方法。焊接温度场、结构场的模拟是运用ANSYS软件的热、结构及二者的耦合分析功能进行计算,即先运用ANSYS的热分析功能计算整个焊接过程的温度场,然后将温度场的计算结果作为热载荷进行结构的力学分析,得到应力场的整个动态变化过程，获取温度场的变化及残余应力的分布规律。

1.2 单元生死技术简介

在焊接过程中，焊接材料是逐渐依次填充在焊缝中的，即焊缝材料在焊接开始时并不存在，而是随着焊接过程的进行不断产生的，要真实地模拟这一过程就必须用到ANSYS中的“单元生死”技术。单元的生或死是指如果在模型中加入或删除材料，模型中相应的单元就“出生”或“死亡”。“单元死亡”，ANSYS软件并不是将“死亡”的单元从模型中删除掉，而是将其单元刚度矩阵乘以一个很小的因子，从而，“死亡”单元的载荷、质量、阻尼和其它类似效果都将变为零。“单元出生”，并不是将新单元添加到模型中，而是将以前“死亡”掉的单元重新激活，当一个单元被重新激活后，其刚度、质量、单元载荷等将被恢复为其原始数值。

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