基于ABAQUS平臺對鋁合金焊接變形和應(yīng)力的數(shù)值模擬及研究.pdf

1、焊接作為先進的制造技術(shù)，是當(dāng)今復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造過程的重要連接方法，在材料加工領(lǐng)域中占有十分重要的地位。由于焊接受熱過程的高度局部性和瞬時性，將不可避免的產(chǎn)生焊接應(yīng)力及焊后變形，嚴(yán)重影響到焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和構(gòu)件的使用性能，因此如何準(zhǔn)確推斷焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，獲取焊接殘余應(yīng)力和焊接變形的研究一直是焊接力學(xué)中尤為重要的課題之一。近年來，隨著焊接預(yù)測理論的日趨成熟和計算機技術(shù)的快速進步，數(shù)值模擬作為預(yù)測焊接變形的有效方法被廣泛研究和推廣。其中以熱-彈

2、-塑性有限元法的應(yīng)用最為常見，該方法考慮了材料物理、力學(xué)性能特性和焊接工藝參數(shù)對焊接導(dǎo)熱過程的影響，追蹤了焊接構(gòu)件的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變演變過程，詳細(xì)掌握了焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生及變化趨勢，理論上可處理任意復(fù)雜構(gòu)件的焊接應(yīng)力及變形問題。
　　同時，焊接是一個涵蓋熱學(xué)、力學(xué)、金相學(xué)的復(fù)雜問題，對于焊接過程的數(shù)值模擬:不僅僅需要建立科學(xué)妥當(dāng)?shù)牧W(xué)模型、材料模型、熱源模型，更需要解決構(gòu)件高度復(fù)雜的非線性收斂問題。而目前的焊接數(shù)值模擬技術(shù)，特別是針

3、對焊接變形及殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬還存在計算時間長、解析精度不夠的問題。研究表明:有限元解析精度和數(shù)值計算效率是焊接數(shù)值模擬分析的關(guān)鍵，高效、高精度的數(shù)值模擬一直是焊接仿真分析的難點，如何根據(jù)不同的研究背景和求解需求，為模型選擇最為合理的研究方案，用盡量短的計算時間得到盡量精確的解析結(jié)果是有限元分析過程中一個復(fù)雜而至關(guān)重要的問題，同時也是數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到實踐生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。
　　目前，熱-彈-塑性間接耦合法應(yīng)用最為廣泛，但該方法僅考

4、慮了溫度場對于應(yīng)力場的單向耦合作用，忽略了應(yīng)力場對溫度場的反向影響，一定程度上影響了數(shù)值模擬的計算精度。而熱-彈-塑性直接耦合法充分考慮了焊接應(yīng)力-應(yīng)變場和焊接溫度場之間相互耦合作用，真實的還原了焊接物理過程耦合作用的實質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn):目前對于熱-彈-塑性直接耦合法的焊接數(shù)值模擬研究較少，且主要集中在碳鋼材料方面，針對變形傾向更大的鋁合金薄板的研究還鮮有報道。
　　因此，鑒于上述研究背景及現(xiàn)狀，本文以熱-彈-塑性有限元分析為基礎(chǔ)，依

5、托ABAQUS軟件平臺，開發(fā)了充分考慮材非線性和幾何非線性的有限元模型，以5052鋁合金作為研究對象，建立不同線性單元三維模型，研究不同線性單元對接殘余應(yīng)力和焊后變形數(shù)值模擬的影響，考察各線性單元對焊接數(shù)值模擬計算精度以及計算效率的貢獻(xiàn)。通過數(shù)值模擬分析，得到基于不同線性單元類型條件下的應(yīng)力分布和焊接變形，經(jīng)對比分析總結(jié)出各線性單元對焊接數(shù)值模擬計算精度和計算效率的影響。在此研究基礎(chǔ)上，開展熱力耦合的高精度數(shù)值研究，建立熱力雙向耦合模型