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基于ANSYS的多層堆疊模塊焊接殘余應(yīng)力分析及選材優(yōu)化 張 彥，許 典，趙希芳 ( 南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)摘 要：分析了某多層堆疊模塊的焊接殘余應(yīng)力，討論了各功能層不同選材、焊接順序?qū)δK殘余應(yīng)力的影響，并給出了優(yōu)化方案。

3、殘余應(yīng)力預(yù)測仿真結(jié)果表明，固態(tài)相變對焊接殘余應(yīng)力的分布和大小有顯著影響，而軟化效應(yīng)則能夠降低軟化區(qū)的縱向殘余應(yīng)力峰值。這些結(jié)論為優(yōu)化焊接工藝提供了重要的理論依據(jù)，有助于提高焊接接頭的性能和壽命。

3、殘余應(yīng)力預(yù)測仿真結(jié)果表明，固態(tài)相變對焊接殘余應(yīng)力的分布和大小有顯著影響，而軟化效應(yīng)則能夠降低軟化區(qū)的縱向殘余應(yīng)力峰值。這些結(jié)論為優(yōu)化焊接工藝提供了重要的理論依據(jù)，有助于提高焊接接頭的性能和壽命。

只做熱：沒有熱–力耦合的應(yīng)力演化，無法預(yù)測殘余場；只做力：沒有真實的溫度歷程驅(qū)動，熱應(yīng)變與材料退化無從談起。工程意義：快速評估工藝窗口（功率/焊速/熱源形參）對峰溫、HAZ、殘余應(yīng)力與翹曲的影響；用自動化腳本把“手工建模”變成“可復(fù)用流程資產(chǎn)”，支撐 DOE/靈敏度/優(yōu)化。

焊接殘余應(yīng)力是焊接技術(shù)帶來的一個幾乎無法避免的缺陷，其危害眾所周知。焊后熱處理是一種消除焊接殘余應(yīng)力常用的方法。工程上主要采用退火處理，退火溫度越高、保溫時間越長，消除焊接殘余應(yīng)力的效果就越好。但是溫度過高，使工件表面氧化比較嚴(yán)重，組織可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，影響工件的使用性能，存在弊端。

二、焊接應(yīng)力的危害 焊接殘余應(yīng)力對焊件有 6個方面的影響： ① 對強(qiáng)度的影響：如果在高殘余拉應(yīng)力區(qū)中存在嚴(yán)重的缺陷，而焊件又在低于脆性轉(zhuǎn)變溫度下工作，則焊接殘余應(yīng)力將使靜載強(qiáng)度降低。在循環(huán)應(yīng)力作用下，如果在應(yīng)力集中處存在著殘余拉應(yīng)力，則焊接殘余拉應(yīng)力將使焊件的疲勞強(qiáng)度降低。

02通過Digimat-MAP的工藝映射功能，將接頭焊接工藝過程的殘余應(yīng)力結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格上（Digimat-MAP也支持將變形場和溫度場的映射），最終導(dǎo)出映射完成的殘余應(yīng)力關(guān)鍵字。03耦合結(jié)構(gòu)仿真分析軟件MSC Nastran，通過istress關(guān)鍵字引入焊接殘余應(yīng)力完成最終結(jié)構(gòu)分析，從而考慮焊接殘余應(yīng)力的影響。

采用Simufact Welding，工程師們能夠復(fù)現(xiàn)擺臂的焊接過程，并獲得焊接殘余應(yīng)力。通過結(jié)合疲勞分析和基于Simufact Welding得到的結(jié)果——焊接殘余應(yīng)力，開裂問題可以成功重現(xiàn)。為減少焊接殘余應(yīng)力和關(guān)鍵接頭的焊接變形，工程師將焊接順序進(jìn)行了調(diào)整，并將改進(jìn)后的焊接工藝在Simufact Welding中進(jìn)行了分析。

圖7 06 計算結(jié)果 圖8 計算效率結(jié)果 07 結(jié)論與展望 本次案例對有多道次焊接的雙管道連接工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬和實驗結(jié)果符合良好，且對三方計算得到的殘余應(yīng)力進(jìn)行了質(zhì)量比較；殘余應(yīng)力變化趨勢良好。 對于該模擬還可以繼續(xù)改進(jìn)，比如引入大變形假設(shè)，固態(tài)硬化修復(fù)，相變，機(jī)械加工，對材料進(jìn)行更真實的建模。

圖11 熱處理之退火處理 靜載荷加壓，就是使工件產(chǎn)生整體或局部、甚至微區(qū)的塑性變形來調(diào)整工件的殘余應(yīng)力。例如大型壓力容器，在焊接之后，在其內(nèi)部加壓，即所謂的“脹形”，使焊接接頭發(fā)生微量塑性變形，以減小焊接殘余應(yīng)力。

這種非均勻的分布特點使其能夠模擬諸如激光焊接、電子束焊接等局部集中加熱的過程。 應(yīng)用案例 在焊接工藝中，高斯熱源常用于模擬焊接過程中的熱輸入。通過合理設(shè)置高斯熱源的參數(shù)，如峰值熱流密度、熱源半徑等，可以準(zhǔn)確地預(yù)測焊縫區(qū)域的溫度場分布，從而評估焊接質(zhì)量和殘余應(yīng)力。

利用數(shù)值模擬研究焊接應(yīng)力及變形問題，就要考慮到焊接過程中產(chǎn)生的溫度場和應(yīng)力差場，可以掌握應(yīng)力分布規(guī)律和焊接變形規(guī)律，從而合理的選擇焊接工藝，更好的控制殘余應(yīng)力和變形，以提高生產(chǎn)效率和焊接構(gòu)件的質(zhì)量。焊接模擬中存在的問題雖然有限元分析在經(jīng)過了多年的發(fā)展取得了很大的進(jìn)步，但是實際焊接構(gòu)件中，尤其是大型的焊接構(gòu)件中仍然存在很多問題。