毕业设计（论文）
对接接头中I型坡口研究
学生姓名： 系 别： 材料工程系 专 业： 焊接技术及自动化 学 号： 0903310209 班 级： 焊接10 指导教师：
摘 要
本文基于非线性有限元分析软件MSC.MARC平台，模拟了中碳钢5mm厚I型坡口平板对接焊，以及在不同焊接工艺参数下的温度场、应力场和焊接变形。利用MSC.MARC软件模拟焊接的基本过程如几何建模、参数设置、分析求解和结果输出等，分析平板在不同外部约束条件的温度场、应力场，并对比分析不同约束条件下的焊后残余应力及焊后变形，由此得出何种约束条件对I型坡口平板对接焊的变形和残余应力影响因素最小，从而指导实际工作。
关键词：焊接模拟，MSC.MARC，约束条件，残余应力，焊后变形
1
ABSTRACT
Based on the nonlinear finite element analysis software MSC. MARC simulation platform, the article has simulated the joint of 5mm thick medium-carbon steel plate type, in different welding process parameters of the temperature field and stress field of the welding deformation and results. Using MSC. MARC software to simulate the basic process of welding simulation, such as geometry modeling generation, parameter settings and the results outputting and definitely analyzes the temperature field and stress field and the welding deformation in different constraint conditions, and finally concluded the effect of different constraint conditions on the type of welding deformation and residual stress influence, so as to guide the practical work.
Keywords: Welding simulation, MSC. MARC, Constraint conditions, the residual stress, welding deformation.
2
目录
第1章 概 论 .......................................................... 4
1.1 课题背景及意义 .................................................... 4 1.2 焊接应力和焊接变形产生的原因 ...................................... 4
1.2.1焊接应力产生的原因 ........................................... 4 1.2.2焊接变形产生的原因 ........................................... 5 1.3 焊接模拟技术国内外现状及发展 ...................................... 5
1.3.1焊接模拟技术理论来源 ......................................... 5 1.3.2 焊接模拟技术发展现状 ........................................ 6 1.3.3 焊接模拟技术发展趋势 ........................................ 6 1.4 本文主要任务和研究路线 ............................................ 7 第2章MSC.MARC焊接模拟过程 .............................................. 8
2.1 MSC.MARC功能简介 ................................................. 8 2.2 焊接模拟基本过程 .................................................. 8
2.2.1焊接模拟前处理 ............................................... 9 2.2.2 焊接模拟分析 ............................................... 12 2.2.3 焊接模拟后处理 ............................................. 12
第3章 温度场和应力场的模拟 ............................................. 13
3.1 焊接工艺方案的确定 ............................................... 13 3.2 温度场的模拟及分析 ............................................... 14
3.2.1 瞬态温度场的模拟结果 ....................................... 14 3.2.2 温度场的对比分析 ........................................... 16 3.3 应力场的的模拟与分析 ............................................. 16
3.3.1 等效应力分布 ............................................... 17 3.3.2 等效应力的对比分析 ......................................... 19 3.4 本章小结 ......................................................... 20 第4章 约束条件对焊接变形的影响 ......................................... 21
4.1 有关焊接变形 ..................................................... 21 4.2 焊后变形结果及分析 ............................................... 22
4.2.1 焊后宏观变形及分析 ......................................... 22 4.2.2 AB节点方向上的变形结果分析 ................................. 27 4.2.3 CD节点方向上的变形结果分析 ................................. 29 4.3 本章小结 ......................................................... 31 第5章 结 论 ......................................................... 32 致 谢 ................................................................. 32 参 考 文 献 ............................................................. 33
3
第1章 概 论
1.1 课题背景及意义
焊接是一复杂的物理化学过程，长久以来，焊接工艺主要依靠经验积累和实验测试，成本消耗巨大且焊接质量难以保证、废品率高。由焊接产生的动态应力应变过程及其随后形成的残余应力，是导致焊接变形、裂纹和接头强度与性能下降的重要因素，因此将传统焊接技术与现代计算机模拟仿真技术结合来预测焊后结果以及解决焊接过程中所纯在的问题，成为当前材料加工领域的主要研究特点之一，其不仅可以节约大量人力财力物力，还可以解决目前实验室无法进行直接研究的复杂问题。借助计算机技术，对焊接现象进行模拟，是国内外焊接工作者的热门研究课题并得到了越来越广泛的应用。
1.2 焊接应力和焊接变形产生的原因
产生焊接应力与变形的基本原因是由于焊接时试板的局部被加热到高温状态，形成了试板上温度的不均匀分布所造成的。其次，在焊接时，由于不同的焊接热循环作用引起金相组织和宏观体积的变化，当体积变化受到阻碍时便产生了应力，从而出现局部与整体变形。
1.2.1焊接应力产生的原因
焊接应力按应力作用的方向分为纵向应力、横向应力和厚度方向的焊接应力。纵向焊接应力就是平行于焊缝长度方向的应力。在焊接过程中，钢板中会产生不均匀的温度场，从而产生不均匀的膨胀。在靠近焊缝一侧高温区受到热压力作用，而在远离焊缝一侧受到热拉应力的作用。焊接完毕，试板自然冷却，在近焊缝区段产生拉应力，在稍远区段产生压应力。横向应力是垂直于焊缝轴线的应力。产生横向焊接应力的原因可分为焊缝的纵向收缩和横向收缩2个方面。冷却时，由于焊缝先后冷却时间不同，先焊的先冷却凝固，存在一定强度，阻止了后焊的焊缝在横向的自由膨胀，使其产生横向压缩变形。后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止，而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。厚度方向的焊接应力常发生在多层焊中，上下表面温差很大，温度沿厚度方向分布不均，从而导致应力的产生。
4