未焊透对焊接结构残余应力影响的有限元分析研究

　　摘要：本文应用ANSYS有限元分析软件,分别对丁字接头两种不同坡口形式下含有未焊透缺陷焊缝和焊透焊缝进行了残余应力模拟研究。研究结果表明：焊缝未焊透缺陷使结构在局部产生较大应力，使结构更容易在焊根处（即未焊透处）屈服。
　　关键词：计算机仿真，未焊透，焊接结构，残余应力
　　
　　1、前言
　　本文采用目前较为成熟的有限元分析软件ANSYS，对不同条件下未焊透对焊接结构残余应力影响的进行数值仿真研究，为焊接缺陷对焊接结构的影响提供了理论基础。
　　
　　2、有限元模型的建立
　　2.1建模
　　本文模拟丁字接头两种坡口形式下的焊接件,分别对两种不同坡口形式下含有未焊透缺陷焊缝和焊透焊缝进行残余应力模拟。根据圣维南原理，当焊件较长时，离焊件两端稍远处应力可以不计。因此，本文将焊件模型简化为二维平面模型。它们分别为立板90mm×30mm,底板为180mm×30mm单面焊未焊透与焊透丁字接头焊件和立板90×40mm，横板为180mm×30mm双面焊未焊焊透与焊透丁字接头焊件模型。
　　2.2加载求解
　　为了防止在有限元计算过程中产生刚体位移，需对所建模型进行位移约束，而所加的位移约束又不能阻碍焊接过程中的自由变形，因此所加的位移约束为划分网格后的横板左端的所有节点。
　　在焊接过程中，焊件表面需与外界空气进行热交换，基于此，根据史蒂芬-波兹曼定律建立了的边界函数，并加载到焊件表面节点上。
　　焊接热源是焊接结构焊接过程中的热量输入，焊接过程模拟的核心是对焊接热源的加载。为了更好地模拟实际焊接过程，本文采用了ANSYS的单元“生死”技术。
　　
　　3仿真结果的分析
　　各个焊件模型的残余应力分布结果从以上的残余应力云图，可以得到在丁字接头横截面残余应力的分布情况:靠近焊缝区的残余应力为拉应力,远离焊缝区的应力值为压应力,在焊接的热过程中,材料由于温度上升而伸长,因此焊缝区受到压缩,产生压应力,等达到材料的屈服极限,焊缝区开始出现压缩塑性变形,当恢复到原始状态时,焊缝区就受到拉应力。
　　图5、6比较分析，可知：两者都在焊根处（即未焊透处）和与横板交界的焊趾处存在应力集中；前者的未焊透处存在有明显的断口效应，它将是在工况下首先出现裂纹的地方。
　　图7、8比较分析，可知：两者都存在有应力集中，不同的是前者在焊根处（即未焊透处）和焊趾处存在应力集中而后者只在与横板交界的焊趾处存在应力集中，在焊根处并没有；且前者大于屈服应力的残余应力分布在与立横板交界的焊趾处和焊根处（即未焊透处），而后者大于屈服应力的残余应力只分布在与横板交界的焊趾处。
　　通过两组图比较分析得出:
　　①焊缝未焊透缺陷使结构在局部产生较大应力。
　　②焊缝未焊透缺陷使结构更容易在焊根处（即未焊透处）屈服。
　　③对于单面焊缝，未焊透为表面缺陷；对于双面焊缝，未焊透为内部缺陷。它可以是局部性质的，也可以是整体性质的。其削弱了有效截面积并且引起了应力集中。也就是说，含有未焊透接头的应力集中系数较大。
　　④由于双面焊焊缝存在几何上的对称性，其残余应力分布显示出明显的对称性。表现在：单面焊丁字接头的残余应力中最大应力比双面焊的要大，更容易引起应力集中。
　　结论
　　本文应用有限元分析方法,对未焊透缺陷对焊接结构强度的影响进行了分析。通过本文所作的工作，可以得出以下的结论：
　　①焊缝未焊透缺陷使结构在局部产生较大应力，使结构更容易在焊根处（即未焊透处）屈服；然而，并不是所有的未焊透缺陷对焊接结构都能造成危害性的影响。
　　②利用ANSYS分析软件能较为准确地反映残余应力的大小和分布规律;并且根据对残余应力定性的分析，能够分析出未焊透对焊接结构强度的影响。
　　
　　参考文献
　　[1]田锡唐.焊接结构.北京：机械工业出版社，1982.
　　[3]王崧,董春敏,金云平等.有限元分析-ANSYS理论与应用.北京：电子工业出版社，2005.
　　[12]拉达伊.焊接热效应•温度场、残余应力、变形.熊第京等,译.北京;机械工业出版社，1997.

《未焊透对焊接结构残余应力影响的有限元分析研究》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 未焊透对焊接结构残余应力影响的有限元分析研究

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-9458