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焊后殘余應(yīng)力和變形主要是由焊接加熱及焊后冷卻過(guò)程中產(chǎn)生的大梯度溫度場(chǎng)所導(dǎo)致，殘余應(yīng)力常常被認(rèn)為是焊接構(gòu)件產(chǎn)生冷裂紋、應(yīng)力腐蝕、脆性斷裂、疲勞斷裂等失效形式的主要因素。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和有限元分析技術(shù)的發(fā)展，焊接過(guò)程的數(shù)值模擬與分析逐漸成為人們預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力與變形的一種重要手段。
在厚板焊接中，考慮到焊接方法中熔寬及熔深大小的局限性，一般工程上采用多層多道焊的方法。目前廣泛采用的模擬焊縫材料增減的有限元分析方法有三種：生死單元法、靜態(tài)單元法和節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)松弛法。
（1）生死單元法是在焊接之前把焊縫單元先“殺死”，其原理是將其材料參數(shù)乘以一個(gè)很小的接近于零的因子，隨著焊縫金屬的添充這些“死單元”再逐步被激活，此時(shí)單元的材料屬性恢復(fù)到真實(shí)值。而在使用生死單元法分析時(shí)，由于“殺死”的單元的節(jié)點(diǎn)在激活前不參與有限元計(jì)算，“殺死”的單元無(wú)法和“活單元”的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)調(diào)變形，使這些“死單元”在激活之后與已經(jīng)激活的單元的網(wǎng)格發(fā)生畸變，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)甚至計(jì)算終止。
（2）靜態(tài)單元法是在焊道未填充之前將代表焊道單元的材料性能按比例縮小為一個(gè)較小的值以減少對(duì)母材和已填充焊道的影響，當(dāng)焊道填充時(shí)，單元的材料屬性恢復(fù)到真實(shí)值。而使用靜態(tài)單元法分析時(shí)，在單元的材料性能設(shè)置很小的情況下，剛度矩陣元素差異很大，從而導(dǎo)致計(jì)算求解的困難，有限元分析的效率會(huì)大大降低，甚至計(jì)算不收斂。
（3）節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)松弛法主要分析大變形、大位移的焊接問(wèn)題。針對(duì)合金板的多層多道焊應(yīng)力的模擬問(wèn)題，采用靜態(tài)單元法進(jìn)行有限元分析，主要討論不同的靜態(tài)單元參數(shù)模擬結(jié)果的差異，通過(guò)對(duì)模擬的數(shù)據(jù)分析而得到最佳的靜態(tài)單元參數(shù)。研究得到的結(jié)論對(duì)采用靜態(tài)單元法模擬焊接力學(xué)問(wèn)題中如何平衡計(jì)算精度與計(jì)算時(shí)間有一定的參考價(jià)值。
研究中分析所建立的模型是基于兩塊300mmX150mmX4mm的合金板，將兩塊板沿長(zhǎng)度方向采用V形坡口焊焊接在一起。焊接后工件的尺寸為300mmX150mmX4mm。 采用兩層焊，每一層焊一道，第一道焊結(jié)束后不需要冷卻，直接進(jìn)行第二層焊。
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