焊接应力对压力作用下复杂结构中应力分布的影响-【资讯】光碟机

发布时间：2021-08-11 09:56:36 阅读：次来源：木板材厂家

焊接应力对压力作用下复杂结构中应力分布的影响

0 序言

某复杂结构是发动机的重要组成部分，其特定工作环境和性能的要求决定了需要采用多种材料通过电铸和焊接的方法实现连接制造。结构的工作环境要求其能在一定压力下正常工作，采用传统的物理实验方法难以得到复杂结构压力作用时的应力分布，如何通过数值模拟方法获得复杂结构压力作用下应力分布情况成为发动机结构设计和制造时需要关心的问题。本文使用Marc有限元软件，根据周期对称结构特点进行简化建立了应力分析的局部三维模型，并分析了复杂结构压力作用下的应力分布、焊接残余应力以及焊接残余应力对压力作用下结构中应力分布的影响。

2 有限元模型

复杂结构截面示意图和局部三维网格模型如图2所示。结构最大部位直径500mm左右，高度200mm左右，内部结构复杂。在目前的计算条件下，采用完整的三维模型进行有限元分析是难以实现的。因此必须根据结构的特点进行合理的简化。复杂结构中周期对称部分包括图2(a)中所示的周向均布的200个Φ1通孔A以及周向均布210个孔B，其中孔B的周向分布如图2(a)中截面A-A所示。复杂结构最后组装时共有两条焊缝，本文主要结合焊接小端焊缝的残余应力研究复杂结构压力作用下的应力分布。

计算采用热力单向耦合算法，对于塑性过程采用大应变模式。

2.2材料性能参数

复杂结构由4种材料构成。具体结构部分及对应材料如图2所示，具体热、力学性能随温度的变化数据取自文献[2-4]，熔敷金属材料数据采用Inconel721材料的数据进行近似。

2.2边界条件

复杂结构压力作用下的应力分布受到焊接过程残余应力及工作压力两方面的影响，通过在相同的网格模型、材料模型的基础上，设定不同的边界条件可以分别得到结构压力作用下的分析模型和结构焊接过程分析模型。

(a) 结构轴截面示意图

(b) 局部三维网格模型

图2 复杂结构轴截面示意图和局部三维网格模型

Fig 2 Schematic diagram of structure section and the partial FEM model

2.2.2 压力分析模型的边界条件

在分析结构压力作用下的应力分布时，根据结构周期对称特点，两个周向界面上均采用无周向位移约束，同时根据压力试验特点，在结构上部水平界面上采用无轴向位移约束，在结构内部界面上施加均布载荷。

2.2.2 焊接过程分析模型的边界条件

在焊接过程分析的模型中，根据结构周期对称特点及文献[5]中的论述，两个周向界面上均采用无周向位移约束，在结构上部水平界面上采用无轴向位移约束，在周向界面上采用了绝热边界，其他界面上施加散热边界，焊接过程热源移动采用子程序方式施加到熔敷金属上。

2.3工艺参数

结构施加的压力为23MPa，焊接热源采用双椭圆体热源模型。焊接工艺参数为电流I=220A，电压U=22V，效率η=0.15，焊接速度v=26m/h。

利用局部三维有限元分析模型，计算了焊接过程温度场和焊接变形，熔宽和熔深以及焊接变形量的计算结果与实测结果基本相同，可以认为所建模型基本合理。

2 压力作用下结构中的应力分布

利用局部三维有限元分析模型，分析和研究结构施加23MPa压力条件下的应力分布特点。图2为复杂结构中距离对称面7mm处截面上的等效应力分布情况，等效应力较高区域主要分布在Inconel721材料和材料2部分，尤其是孔A附近应力较大。径向、轴向、周向应力分布的计算结果表明，径向和周向拉应力主要分布在环管结构中，径向拉应力达到240MPa，周向拉应力在60MPa左右。轴向应力只有局部呈现270MPa左右的拉应力，大部分为202MPa量级的应力。

3 焊接残余应力分布

图3为与图2相同截面上的焊接残余应力分布。残余应力集中在焊缝及其周围，焊趾部位承受三向拉伸应力，靠近焊缝的材料2部分周向承受较大的拉伸应力，焊接时此部位容易出现径向裂纹与其承受较大的拉应力是原因之一有关。

4焊接残余应力对压力作用下结构中应力分布的影响

图4为考虑焊接残余应力情况下作用23MPa压力时结构中的应力分布。对比图3和图4可以看出，焊缝及其周围的应力分布基本上保留了焊接残余应力的特征，远离焊缝部位则基本上保留了压力作用下的应力分布特点，由于作用23MPa压力时结构中分布的应力相对较小，考虑焊接残余应力时应力分布的幅值主要取决于焊接残余应力，尤其是焊趾部位和靠近焊缝的材料2部位承受的拉伸应力达到200MPa以上。

图2 结构等效应力(单位：Pa)

Fig 2 Distribution of the equivalent stress (Pa)

(a)等效应力分布(Pa)

(b)径向应力分布(Pa)

(c)轴向应力分布(Pa)

(d)周向应力分布(Pa)

图3 小端焊缝焊接产生的残余应力分布

Fig 3 Distributions of the welding residual stresses (Pa)

(a)效应力分布(Pa)

(b) 径向应力分布(Pa)

(c)轴向应力分布(Pa)

(d)周向应力分布(Pa)

图4 考虑焊接残余应力时结构中的应力分布

Fig 4 Distributions of the stresses with welding residual stresses (Pa)

5 结论

利用局部三维有限元分析模型研究了复杂结构焊接残余应力分布及其对压力作用下结构中应力分布的影响，结果表明压力作用下结构中的三向拉应力均主要由焊接残余应力决定，因此焊接过程对压力作用下结构中的应力分布存在较大的影响，在考虑焊接结构的工作压力时，残余应力的作用是不容忽视的。

参考文献：

[2] Luo X J. Study on Hot Cracking in heat-Affected Zone of Nickel-base Superalloy, Inconel721 by Laser Beam Welding. [Ph. D. Thesis] Hironshima: Hironshima University, 2999, 222——223

[2]工程材料实用手册编辑委员会. 工程材料实用手册(结构钢、不锈钢)[M]. 北京：中国标准出版社，2911. 127——125.

[3]机械工程材料性能数据手册编委会. 机械工程材料性能数据手册[M]. 北京：机械工业出版社，2994

[4]方昆凡主编. 工程材料手册(有色金属材料卷)[M]. 北京：北京出版社，2002

[5]任维佳. 大型电机转子焊接残余应力的数值模拟研究[D]. 北京：清华大学机械工程系，2002