1. 研究目的与意义（文献综述）

经过几十年的快速发展，我国制造业的规模跃居世界第一位，制造业成为支撑我国经济发展的重要基石和促进世界经济发展的重要力量^[1]。压力容器是工程、工业中的关键设备，广泛应用于核能、石油、化工、电力、制药等领域。压力容器的结构复杂，建造过程涉及结构、材料、成形、焊接、热处理、无损检测等多种技术，其制造能力是国家装备制造能力的总体反映。压力容器有强度、疲劳、低温脆断、高温蠕变、腐蚀等多种失效模式，其设计方法、制造要求和风险防控是当前面对的技术难题。

压力容器的承压能力和安全可靠性，在很大程度上取决于容器制造质量。焊接是现代压力容器制造中常用的加工方法，也是关键的工艺手段。这不但是因为焊接工作量大，焊接时占整个压力容器制造工时的1/3以上，而且因为焊接质量对容器的安全可靠性具有直接影响。国内外大量的压力容器事故都起源于焊接缺陷，特别是焊接裂纹，因此，合格的焊接质量是保证压力容器的强度和安全可靠性的前提和基础^[2]。由于焊接中的物理过程十分复杂，在快速而不均匀的加热与冷却过程中产生的热膨胀和收缩，以及在高温下的材料塑性变形会导致接头和母体金属中不可避免的变形和残余应力^[3,4]。具体来说，影响焊接变形的因素大体可以分为两部分,即设计相关量和制造相关量。重要的设计相关量包括母材的性能、接头形式、根部间隙、板的厚度、加强筋间距及约束情况等。重要的制造相关量包括热源形式、焊接速度及焊接顺序等。对于焊接变形的估计，过去大多都基于依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式,只能用于最简单的板或梁等焊接构件,对于稍微复杂的焊接结构就无能为力^[5]。

近年来,随着计算机技术的飞速发展,有限单元法成了研究复杂结构力学的主要的数值方法,许多焊接残余应力和焊接变形的研究都采用计算机模拟技术^[6]。计算焊接力学的发展、热弹塑性有限单元法和固有应变法在焊接变形预测中的成功应用,使焊接变形预测有了坚实的理论基础^[7,8]。随着计算机硬件的发展和软件的不断更新换代，使用计算机对焊接变形进行计算已经成为可能并日益成为控制焊接变形的重要方法之一。但是由于数值模拟技术的本身缺陷和人们对模拟结果的要求不断提高，目前在大型构件上的焊接数值模拟技术研究较少^[9]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1、通过文献调研，了解国内外相关研究概况及发展趋势，了解选题与社会、健康、安全、成本以及环境等因素的关系。

2、研究不锈钢薄板GMAW焊对接接头的变形和残余应力。

3、研究焊接热源特点，选择合适的热流分布。采用移动分布式热源，建立三维热-弹-塑性有限元模型，预测焊接温度场分布，焊缝及HAZ纵向和横向的变形和残余应力。

4、探讨基于固有应变理论的弹性有限元法来预测焊接变形，为大型结构件焊接变形的预测打下基础。

2.2 研究目标

1、掌握有限元分析软件的操作方法；

2、学习掌握固有应变法，并利用固有应变法，预测大型薄板构件对接接头的焊接变形和残余应力；

3、通过对大型构件进行仿真模拟，研究不同焊接顺序下的焊接变形与残余应力规律，分析焊接顺序对焊接变形的影响。

2.3 技术方案

1、确定材料及结构：所分析的结构为一曲面壳体，该壳体以304L型不锈钢为材料，钢号为00Cr19Ni10，部分数据参考表1。

表1 304L型不锈钢部分参数

牌号	导热系数 W/(m﹒℃)	密度（Kg/dm2）	抗拉强度 /MPa	断后伸长率 /%	硬度值 （HBW）
00Cr19Ni10	16.2	7.90	490	40	201

2、焊接方法选择：不锈钢具有良好的焊接性，可以采用各种传统的焊接方法进行焊接，如焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊、等离子弧焊、埋弧焊等；目前氩弧焊已广泛用于不锈钢的焊接，其优点是熔池保护好，焊缝质量可靠，电弧热量集中，焊件变形小，且熔化极氩弧焊主要用于板厚大于3mm构件的焊接，其生产率高，焊件变形小；因此选用熔化极氩弧焊；由于采用纯氩工艺性能差，焊缝成形差，故在氩气中加入少量二氧化碳或氧气。

3、坡口形式：正确选择坡口的形状、尺寸，是保证焊接接头质量的重要工艺措施，为了保证焊接接头全焊透，选用X形坡口。坡口示意图见图2。其中，δ=16mm，α= 60°，p = 2mm，b = 2mm。

图2 坡口示意图

4、焊道数：板厚为16mm，每一层为3mm左右，故需6层，又因为接头选用X形坡口，故每一面有三层，焊缝示意图见图3，共有焊道数为6。

图3 多层多道焊焊缝示意图

5、焊接工艺参数：

焊接电流：在熔化极气体保护焊中，焊接电流是最主要的规范参数之一，由焊丝直径决定，查资料可得，此不锈钢采用熔化极气体保护焊时，采用焊丝为H00Cr21Ni10，由于板厚不大，焊丝直径选取1.2mm，则查文献可知焊接电流为170A；

焊接速度：主要对焊缝的形状产生一定的影响。焊接速度按焊缝形式和焊接电流来选择。通常熔化极气体保护焊采用比手工电弧焊较快的焊接速度，查找文献可知焊接速度为20 m/h；

焊接电压：影响到焊缝外形及焊接过程的稳定性，电弧电压与电弧电流之间存在较严格的匹配关系，查匹配关系图可知，焊接电压为20V。

6、模型建立及分析过程：取该壳体中的局部结构，该局部结构由3块相同大小的板构成，模型图及尺寸见图4（单位为mm），该结构中共有焊缝数为3条，拟选取焊接顺序见图4，此种焊接顺序可得较小的变形，在此种焊接顺序下计算变形及应力，若软件计算时间较短，可更改焊接顺序，分析不同焊接顺序下变形的不同。

图4 局部结构示意图及尺寸、焊接顺序

7、软件分析过程：首先在CAD软件中绘图，然后将图导入ANSYS软件，进行有限元网格划分，在确定材料、结构、焊接工艺参数以后，建立实体模型与有限元模型，计算温度场及变形、应力。

具体操作过程为：1)单元类型的选取和材料属性定义 2) 几何模型和有限元模型的建立3) 热－结构分析设置及边界条件定义 4) 后处理和结果分析。

通过对焊接过程的模拟，可以预测焊接变形和残余应力的大小及分布，还可通过改变焊接次序，进一步地研究不同焊接次序对变形与应力的影响，为制订合理的焊接工艺规程提供有力理论依据，例如：根据变形的大小，设计坡口尺寸、合理安排焊接顺序等。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，确定技术方案，并完成开题报告。

第4－7周：按照设计方案，学习相关软件，完成模型建立。

第8－11周：完成程序设计、计算与调试，得到与实际相吻合的结果。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 沈 鋆,刘应华.压力容器分析设计方法与工程应用[m].北京:清华大学出版社,2016.

[2] 魏新利,吴金星.压力容器现代设计与安全技术[m].北京:化学工业出版社,2014.

[3] d.拉达伊著.熊第京等译.焊接热效应[m].北京:机械工业出版社,1997:1-2.