工字梁焊接的有限元分析毕业设计论文.docx

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工字梁焊接的有限元分析毕业设计论文

前言

焊接是被焊工件的材质（同种或异种），通过加热或加压或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材质达到原子间的键和而形成永久性连接的工艺过程。

它广泛应用于造船、压力容器制造、石油化工等钢结构制造领域[1]。

焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。

铝合金由于具有质量轻、力学性能好、抗腐蚀等优点而得到广泛应用[2]。

铝合金工字梁作为基本铝合金构件,其受力特性研究具有十分重要意义。

在焊接结构中主要特点之一是构件在焊接过程中和焊后容易产生应力和变形。

焊接残余应力和焊接残余变形不但可能降低结构的抗脆断能力、疲劳强度、抗应力腐蚀性，而且在一定条件下影响结构的承载能力和安全性。

因此在设计和生产时必须充分考虑焊接应力和焊接变形问题。

焊接温度场通常是一个动态温度场。

弧焊热过程决定了焊缝的宏观质量与微观质量，在焊接质量控制的研究中，表征弧焊热过程温度场的实时检测具有重要的意义。

如果能够对焊接的过程做一个动态的模拟分析，将对实际的焊接具有重要的参考意义。

而近年来，焊接数值模拟技术的应用加快了研究的进程，利用有限元模拟的方法可以快速并准确的预测焊接残余应力和构件的变形[3-6]。

有限元方法也叫“有限单元法”或“有限元素法”，英文是：

“Finite Element Method”。

这种方法最初起源于结构分析，由结构力学的位移法发展而来的，其核心思想就是分片逼近[7]。

有限元方法诞生于20世纪中叶，随着计算机技术和计算方法的不断发展，已成为计算力学和计算工程学领域里最有效的计算方法，经过40年的发展不仅使有限元方法的理论日趋完善，而且已经开发了一批通用和专用的有限元软件，使用这些软件已经成功地解决了众多领域的大型科学和工程计算难题，并且取得了巨大的经济效益以及社会效益[8]。

随着力学理论、计算数学和计算机技术等相关学科的发展，有限元理论也得到不断完善，成为工程分析中应用十分广泛的数值分析工具，特别是在现代机械工程、车辆工程、航空航天工程、土建工程中发挥着越来越大的作用，是现代CAE技术的核心内容之一[9]。

MARC软件具有较为先进的接触分析功能。

一方面，MARC仍保留了传统的间隙摩擦单元来模拟结构两点之间的接触，其接触约束是通过拉氏乘子或罚函数方法施加的。

另一方面，MARC软件提供了基于直接约束法的接触迭代算法，可自动分析变形体之间、变形体与刚体以及变形体自身的接触。

当发生接触时，使用边界条件直接约束运动体，两者的运动约束转化成了节点自由度的约束和节点力的约束。

在MARC程序中，不用提前指定参考单元，可以模拟复杂的接触，特别是对大面积接触，以及事先无法预知接触发生区域的接触问题，程序能根据物体的运动约束和相互作用自动探测接触区域，施加接触约束[10]。

随着计算机及有限元软件技术的发展，焊接有限元模拟技术将不断完善，其模拟结构也向着三维化、整体化、精密化方向发展，焊接有限元模拟技术，相当于一个虚拟焊接过程，可以优化结构设计和工艺设计，便于采取必要和合理的工艺措施来控制、调整和减小焊接残余应力以及变形，从而提高焊接接头的质量，也可省去费时耗资的焊后热处理以及变形矫正等工序，因此可降低生产成本，提高生产效率。

一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数[11]。

近几年来，随着经济的不断发展对桥梁等交通设施的需求以及钢材、焊接、计算机、施工和制造等技术水平的不断改进，大跨径钢桥在我国得到了高速的发展。

根据国内外文献资料，在对接接头的应力集中系数的有限元分析方面研究最多[12-14] 。

T型接头和十字型接头应力集中系数的有限元分析方面也有研究[15-17]。

 在建筑工程中，工字形钢板梁应用十分广泛，但焊接时由于加热冷却不均，应力状态发生改变，容易出现焊接残余应力的问题。

焊接残余应力的存在，会直接影响到钢结构的承载能力，为了保证焊接的安全可靠，准确的推断焊接过程中的力学行为和残余应力是十分重要的课题，目前对残余应力的研究理论分析方法尚不成熟，对于焊接残余应力，以往多是采用切割、钻孔等试验测量方法，不但费时费力，还要受到许多条件的限制，结果数据误差也会很大，随着有限元计算技术的日趋完善，应用数值模拟方法计算焊接残余应力克服了试验测量方法等缺点，并且在结构的设计阶段，则可以通过有限元方法来模拟结构的细部受力状态，研究结构几何参数对应力集中的影响，从而能更好地为技术人员设计焊接工艺参数。

本课题设计在总结前人的工作基础上结合数值计算的方法，采用MSC.Marc软件对工字梁焊接进行了有限元模拟的研究。

对工字梁焊接过程中的温度场变化问题、焊接应力以及残余应力问题、焊接变行问题进行模拟，并对这个模拟的结果进行分析。

1工字梁焊接有限元模拟的相关知识

1.1铝及铝合金的性能

铝属有色金属，比重小，约为钢的三分之一，而铝合金的比强度却很大；铝的熔点低，但导热性强，热容量与熔化潜热也较大故焊接时要求热源的热量集中，才能保证焊透；铝的线膨胀系数大，约为钢的2倍，焊接时易产生焊接应力与变形；另外，铝的导电性好，与氧具有很强的亲合力，在空气中极易氧化。

根据化学成分与加工方法的不同，纯铝可分为高纯铝、工业高纯铝和工业纯铝；铝合金可分为变形铝合金和铸造铝合金，而形变铝合金又可分为热处理可强化与热处理不可强化两类，前者如锻铝、硬铝和超硬铝，后者如铝锰合金、铝镁合金（通称防锈铝）[18]。

1.2铝及铝合金焊接时存在的主要问题

和钢相比，铝的导热率高，焊接时就需要高的热量输入。

对大型截面焊接时，需要进行预热。

当使用电阻焊时，和焊钢件相比，因铝具有高的导电率，所以需要较大的电流和较短的焊接时间以精确地控制焊接参数。

由于铝是无磁性的，当用直流电焊接时，电弧不会有吹偏。

因此，它可以用作焊接挡板和夹具。

铝及铝合金，暴露在空气中时，会很快形成一种黏着力强且耐热的氧化薄膜，由于氧化膜密度与铝的密度接近，也可成为焊缝金属的夹杂物。

同时，氧化膜（特别是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可吸收较多水分成为焊缝气孔的重要原因之一。

在焊接前，必须仔细清除这层氧化膜，才能在焊接时保证基体和填充金属熔合良好；在钎焊时，钎料有很好的流动性。

氧化膜可用溶剂去除，也可在惰性气氛下，由焊接电弧的作用去除，或者用机械的或化学的方法去除。

由于其线膨胀系数较大，焊接变形及裂纹倾向也较大，焊接时需采取相应的有效措施。

由于焊铝时的温度变化不会引起焊件颜色的变化，故焊接时操作有一定难度，需提高焊工的技术熟练程度。

铝及多数防锈铝合金焊接性好，但不少高强度铝合金焊接性不良，特别是容易在焊接过程中产生焊接裂纹现象。

一般铝及铝合金的焊接常采用钨极氩弧焊（TIG焊）以及熔化极氩弧焊（TIG焊、MIG焊）等[19]。

1.3钨极氩弧焊（TIG焊）

1.3.1钨极氩弧焊的原理

TIG焊是在惰性气体的保护下，利用钨极与焊件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（也可以不加填充焊丝），形成焊缝的焊接方法。

焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成保护层隔绝空气，保护电极和焊接熔池以及临近热影响区，以形成优质的焊接接头。

TIG焊分为手工和自动两种。

焊接时，用难熔金属钨或钨合金制成的电极基本上不熔化，故容易维持电弧长度的恒定。

填充焊丝在电弧前方添加，当焊接薄焊件时，一般不需开坡口和填充焊丝；还可采用脉冲电流以防止烧穿焊件。

焊接厚大焊件时，也可以将焊丝预热后，再添加到熔池中去，以提高熔敷速度。

TIG焊一般采用氩气作保护气体，称为钨极氩弧焊。

在焊接厚板、高导热率或高熔点金属等情况下，也可采用氦气或氦氩混合气作保护气体。

在焊接不锈钢、镍基合金和镍铜合金时可采用氩-氢混合气作保护气体。

1.3.2钨极氩弧焊的特点

TIG焊与其他焊接方法相比有如下特点：

1）可焊金属多氩气能有效隔绝焊接区域周围的空气，它本身又不溶于金属，不和金属反应；TIG焊过程中电弧还有自动清除焊件表面氧化膜的作用。

因此，可成功地焊接其他焊接方法不易焊接的易氧化、氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。

2）适应能力强钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流下也能稳定燃烧不会产生飞溅，焊缝成形美观；热源和焊丝可分别控制，因而热输入量容易调节，特别适合于薄件、超薄件的焊接；可进行各种位置的焊接，易于实现机械化和自动化焊接。

3）焊接生产率低钨极承载电流能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其颗粒可能进入熔池，造成夹钨。

因而TIG焊使用的电流小，焊缝熔深浅，熔敷速度小，生产率低。

4）生产成本较高由于惰性气体较贵，与其他焊接方法相比生产成本高，故主要用于要求较高产品的焊接。

1.3.3钨极氩弧焊的应用

TIG焊几乎可用于所有钢材、有色金属及其合金的焊接，特别适合于化学性质活泼的金属及其合金。

常用于不锈钢、高温合金、铝、镁、钛及其合金以及难熔的活泼金属（如锆、钽、钼铌等）和异种金属的焊接。

TIG焊容易控制焊缝成形，容易实现单面焊双面成形，主要用于薄件焊接或厚件的打底焊。

脉冲TIG焊特别适宜于焊接薄板和全位置管道对接焊。

1.4有限元法

1.4.1有限元法的发展

有限元方法也叫“有限单元法”或“有限元素法”，英文是：

“FiniteElementMethod”。

是一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合，以求解连续体力学问题的数值方法。

1）有限元法原理

将连续的求解域离散为一组单元的组合体，用在每个单元内假设的近似函数来分片的表示求解域上待求的未知场函数，近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数来表达。

从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。

2）有限元法的发展

有限元分析法是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。

近50年来有限元方法已经有了巨大的发展，其应用领域已从单一的结构分析扩展到温度场分析、电磁场分析、流体流速场分析及声场分析等许多领域。

其分析问题的类型已从最初的线性稳态问题，如：

平衡问题、特征值问题等，发展到顺态响应问题、非线性问题及多介质的耦合问题，如：

振动响应问题、碰撞问题、塑性成形问题、声固偶合问题及流体与固体偶合问题等等。

有限元方法虽诞生于20世纪中叶，但随着计算机技术和计算方法的不断发展，已成为计算力学和计算工程学领域里最有效的计算方法，经过40年的发展不仅使有限元方法的理论日趋完善，而且已经开发了一批通用和专用的有限元软件，使用这些软件已经成功地解决了众多领域的大型科学和工程计算难题，并且取得了巨大的经济效益和社会效益。

但是有限元法也存在一些缺点，它的计算量很大，计算周期比较长[20]。

1.4.2有限元软件MSC.Marc

MSC.Marc/Mentat是国际上通用最先进非线性有限元分析软件，它是MSC.SoftwareCoordination（简称MSC）公司的产品。

MSC公司创建于1963年，总部设在美国洛杉矶，是享誉全球最大的工程校验、有限元分析和计算机方针预测应用软件（CAE）供应商，也是世界最著名、最权威、最可靠的大型通用有限元软件MSC.Nastran的开发者。

30多年来，MSC公司始终领导着世界CAE领域的发展方向。

其产品作为世界公认的CAE工业标准，覆盖了工程仿真分析的各个方面，用户遍及世界100多个国家和地区的主要设计制造工业公司和研究机构。

Marc公司一贯倡导用非线性有限元技术更为准确的模拟真实自然现象，解决从简单到复杂的工程实际问题。

自1971年推出第一个版本以来，在三十多年中，Marc公司产品已历经几十次的版本升级。

每一次版本的更新都溶入了当时最先进的非线性有限元分析技术和成熟的工程经验，这使Marc软件具有强有力的竞争力。

Marc公司注重产品质量，对软件制定和实施了一整套严密和完善的质量保证体系[21]。

MSC.Marc的主要模块有MSC.Marc和MSC.Mentat。

MSC.Marc是高级非线性有限元分析模块，而MSC.Mentat作为Marc的前处理器，完全支持MSC.Marc的所有功能。

它是新一代的非线性有限元分析的前后处理图形交互界面，与MSC.Marc求解器无缝结合，具有极强的结构分析能力。

在其中可以完成的功能包括：

生成物理模型的几何表象、给模型引入非几何信息、控制数值分析和显示所得结果。

简而言之，Mentat是Marc软件的用户操作界面，通过它可以实现有限元的前后处理，使有限元软件的应用更加人性化，同时，让工程技术人员从繁琐的数据准备、输入工作中解放出来，从而大大加快了工作的进度。

本设计采用Marc软件不仅可以作出工字梁焊接的三维立体图，直接选取焊接路径、填充材料等，而且能够动态的模拟出焊接过程，焊接温度场的变化，焊接变形及残余应力及应变值等，更加真实、直观的展示出来。

1.4.3有限元在焊接中的应用现状

有限元进行分析时，首先将被分析物体离散成许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再求解线性和非线性方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，利用图形技术显示计算结果。

有限元法作为一种研究各门学科的物理化学现象，在焊接过程的应用中也相当普遍，如焊接过程建模、焊接工艺设计等。

整个焊接过程是一个极其复杂的热弹塑性力学过程，要想精确的了解整个焊接过程中应力应变和位移的发生、发展的动态行为是十分困难的，因此必须以一定的方式建立简化的计算模型。

在早期的焊接热过程的理论研究中，R.Senthallv移动热源固体导热模型和Rykalin最早提出焊接温度场的解析模型，奠定了焊接热过程研究的基础。

70年代初，日本的上田幸雄等以有限元法为基础，提出考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论，从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能。

之后，有限元计算模型进一步丰富起来，诸如材料物理、力学性能随温度变化的影响等都加入了模型之中，并用外推法得到高温区材料热物理性能、力学性能，使得计算模型逼近实际情况。

虽然有限元已经被广泛的应用于焊接结构的分析计算中，但是用有限元进行焊接结构分析时仍存在一些难点：

1）焊接热源高度集中，温度场分布极不均匀，在焊缝附近应采用足够细密的网格划分以达到必要的精度，结果造成自由度数目庞大，解题规范大；

2）焊接温度场、应力应变场是随时间变化的动态场，在有限元计算中需要将连续变化的焊接过程离散为若干个时间增量步。

但由于焊缝附近温度场、应力应变场随焊接过程发生急剧的变化，在计算中不得不用很多时间增量步体现这种快速变化，造成计算量非常大；

3）焊接过程中材料力学性能随温度成高度非线性变化，尤其在熔池附近，材料的屈服强度、弹性模量等力学指标降低为很小值，影响了有限元的求解效率。

2程序设计

本课题应用MSC.Marc软件，对工字梁焊接进行有限元模拟。

更加立体、直观的展示出焊接时的温度场变化、残余应力及应变场的变化。

在MSC.Marc中，建立铝板MIG焊的有限元模型包括平板的有限元网格划分、建立材料模型、焊接路径及填充材料的定义、定义边界条件、工况定义、作业定义和结果分析等主要步骤[22]。

下面将结合本课题具体阐述以上几方面内容。

2.1几何模型的确定

设计试样材料为2A16铝合金，腹板的长度为200mm，宽度100mm，厚度20mm，翼板的长度为200mm，宽度为100mm，厚度为20mm。

所以焊缝长100mm。

本课题使用（钨极氩弧焊）焊接，焊缝为角接焊缝，不开坡口，焊丝的直径为3.0mm，纯钨极直径为3.2mm，焊接电流150A，焊接时的电压20V，焊接速度5mm/s，热效率为0.7。

一般而言，在焊接过程中，焊接熔池、被焊工件与焊丝之间发生着剧烈的物理、化学反应。

因而，在进行模拟分析时，应该弱化处理甚至不处理那些对温度场、应力应变场影响微弱的因素。

所以对模型进行如下假设：

1）工件的初始温度为室温（20℃）；

2）忽略熔池内部的化学反应和搅拌、对流等现象；

3）建立一个总的热输入量，用熔池生热的加载方法模拟焊接热源，只考虑熔池与工件之间的热传递。

2.2定义材料性能参数

在本文中，采用2A16铝合金进行分段焊有限元模拟，进行焊接温度场分析必须确定的热物理性能参数和针对应力应变场模拟必须要确定的力学性能参数如表2-1和表2-2所示。

工件的初始温度取室温为20℃。

表2-12A16铝合金力学性能参数列表

Tab.2-12A16Tableofthemechanicalpropertiesofaluminumalloy

牌

号

抗拉强度

σb/MPa

屈服强度

σ0.2/MPa

伸长率

δ50/%

疲劳极限

σ-1/MPa

硬度（10/500）（HBS）

弹性模量E/GPa

泊松比

μ

2A16

400

250

12

105

110

71

0.31

表2-22A16铝合金物理性能参数列表

牌

号

密度

γ/g·㎝-3

熔化温

度范围

/℃

线膨胀系数

αL（20～100℃）/10-6·K-1

比热容

C（20℃）/J·（㎏·K）-1

热导率

λ（20℃）/W·（m·K）-1

电导率

k（20℃）/W·LACS

电阻率

ρ（20℃）/nΩ·m

2A16

2.840

583～683

22.5

864

170，（130）

44，（30）

39，（57）

Tab.2-2TableofphysicalpropertiesofAluminumparameter

2.3建立有限元模型和网格划分

首先，由课题定义板材大小尺寸，建立三个矩形立方体。

所建模型具体尺寸为腹板长度200mm，宽度100mm和厚度20mm。

翼板尺寸为长度200mm，宽度100mm，厚度20mm。

MSC.Mentat是MSC.Marc软件的图形界面，MSC.Mentat为建立有限元模型提供了两种方法。

其一是直接生成法，其二是生成实体模型，再通过划分网格生成有限元模型。

本课题采用生成实体模型生成有限元模型。

进入MSC.Mentat用户界面的MESHGENERATION（网格生成）菜单进行网格生成，如图2-1所示，建模完毕。

图2-1生成网格

Fig.2-1Generatedgrid

2.4施加材料特性

进入MSC.Mentat用户界面的MATERIALPROPERTIES（材料特性定义）菜单中按照表2-1、表2-2中的参数对母材和填充材料进行施加材料性能。

母材和填充材料使用同一种材料。

如图2-2、2-3所示，材料性能定义完毕。

图2-2施加力学材料性能

Fig.2-2Imposedbythemechanicalmaterialproperties

图2-3施加热传递材料性能

Fig.2-3Imposedbytheperformanceofheattransfermaterials

2.5建立焊接路径

进入MODELINGTOOLS（模型工具）菜单，定义焊接的路径，我们利用节点法来确定输入电弧的路径和传导方向，工字梁将分为四条路径，按如图2-4所示定义。

图2-4焊接路径示意图

Fig.2-4Weldingpathdiagram

分别对四条焊道定义填充金属，如图2-5所示。

图2-5填充金属示意图

Fig.2-5Schematicdiagramofmetal-filled

2.6定义边界条件

在MSC.Mentat用户界面主菜单中单击BOUNDARYCONDITIONS（边界条件的定义）。

首先加载焊接温度场的边界条件，熔池尺寸分别为熔池宽度5mm，熔池深度5mm，熔池前长4mm，熔池后长10mm，对四段焊接路径分别定义边界条件，如图2-6所示为四条焊道的定义界面。

图2-6边界条件定义

Fig.2-6Definedboundaryconditions

至此，温度场边界条件定义完毕，下面进行的是定义力学边界条件。

先后定义板材在X、Y和Z方向的节点受力方向，这是用来分析焊接应力场所必须的条件，如图2-7所示。

图2-7力学边界条件定义

Fig.2-7Mechanicalboundaryconditionsdefinition

2.7定义载荷工况

焊接过程的定义需要进入MSC.Mentat用户界面的LOADCASES（载荷工况定义）菜单中进行。

先定义每段路径的焊接过程，进行计算收敛检查，相对位移偏差一般为默认值就可以值越小，计算越精确。

反之相反，不能超过0.2，本课题选取0.1。

定义焊缝的焊接时间由焊道长度和焊接速率来决定，此处为20s。

接下来定义冷却过程，假设焊后冷却时间定为1500s，这个值为估计值，有经验就估计比较准，冷却时间可以多给，但是不能少给，工况定义如图2-8所示。

图2-8载荷工况定义

Fig.2-8Thedefinitionofloadconditions

2.8定义作业参数并提交

定义作业一般需要定义作业类型，和LOADCASES的类型必须一致，选择输出的结果，分析维数。

运行结果如图2-9所示。

此处按照四道焊缝不同的焊接顺序定义四个作业，job1的焊接顺序是第一道焊缝，第二道焊缝，第三道焊缝，第四道焊缝；job2的焊接顺序是第二道焊缝，第三道焊缝，第四道焊缝，第一道焊缝；job3的焊接顺序是第三道焊缝，第二道焊缝，第一道焊缝，第四道焊缝；job4的焊接顺序是第四道焊缝，第二道焊缝，第一道焊缝，第三道焊缝。

这时候建模完毕，接下来将要利用软件对模型计算分析。

图2-9作业参数定义结果

Figure2-9Operatingparametersdefinedresults

3计算结果及分析

3.1温度场的计算结果及分析

工字梁有四条焊道，分析焊接顺序为第一道，第二道，第三道，第四道。

图3-1到图3-5分别为焊接中、焊后正在散热和散热过程结束的温度场云图。

图3-1第5个增量步时的温度场云图

Fig.3-1Section5oftheincrementalsteptemperaturecloud

图3-2第27个增量步时的温度场云图

Fig.3-2Section27oftheincrementalsteptemperaturecloud

图3-3第40个增量步时的温度场云图

Fig.3-3Section40oftheincrementalsteptemperaturecloud

图3-1、3-2、3-3分别表示焊接进行10s、54s、80s时工字梁的过程中的温度场分布，代表最高温度的黄色区域温度已达到660℃，焊接过程正常进行。

从图中可以看出，高温从熔池向四周扩散，温度逐渐降低。

图3-4第100个增量步时的温度场云图

Fig.3-4Section100oftheincrementalsteptemperaturecloud

图3-4表示焊接980s后的温度分布，这个时候整个板材正在散热，温度的降低已经非常明显，最高温度为150℃。

图3-5第140个增量步时的温度场云图

Fig.3-5Section140oftheincrementalsteptemperaturecloud

图3-5表示焊接过后1580s的温度分布，各个颜色表示的区域，最高温度为100℃左右，说明焊件已逐渐冷却。

MSC.Marc软件能够显示整个焊接过程中温度场的变化情况，随着热源的移动，模型上每个节点的温度都随时间的变化而变化。

起弧后，焊接产生高温，造成铝板一直在升温，而且焊道的周围升温迅速，经过一段时间后，焊缝熔