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黑龙江交通职业技术学院毕业设计（论文）
焊接过程热力学与晶相学，通过计算的出的结论与试验测出的结论一致。Tso-Liang Teng、Tso-Liang Teng、Chin-Ping Fung、Peng-Hsiang Chang、[12]等对利用有限元分析软件模拟了焊接构件的应力分布，对今后的焊接应力数值分析提供了宝贵的经验。对于较厚的钢板焊接的数值模拟难度较大，加拿大的希迪亚克等人对此进行了大量的研究，并构建了热应力的立体模型，同时将影响人热应力分布的晶相学考虑进去。随着有限元技术发展的深入，焊接热弹—塑性有限元分析逐渐发展到三维模型研究。二十一世纪初对三维焊接模型进行了研究[13]。对于焊接结构的变形研究也逐步深入，结构变形预测系统的发展研究在工程实践中具有深远的意义，因此焊接变形预测分析系统研究具有代表性的国家就是英国。
（二）焊接变形控制在国内的研究现状
七十年代初期对应力变形的研究还处在起步阶段，首先研究者对焊接过程中的应力对焊接件的影响，以及焊接应力与焊接应力对焊接裂纹影响进行了分析，并得出了试验数据，具有代表性的要数西安交大[14]。为了提高热—弹塑性有限元焊接数值分析的确切性，上海交大在1980年初研究了不同焊接热源条件下的有限元分析方法，并消除了不同焊接中焊接热源负面作用，并取得一定的数据成果[15]。但总体来说，我国的焊接数值模拟研究起步晚，没有前人的经验，落后发达国家十几年以上。
尽管起步落后，但我国在焊接变形控制有限元分析领域也作出了较多的贡献，许多的科研人员在此领域进行了深入的研究。在堆焊时的应力和变形的研究方面孟繁森等一些研究人员在模拟焊接过程中利用计算机有限元通过应力、应变图形分布程序，方便直观的分析出应力和变形的情况。由于三维分析焊接应力和变形较为复杂，研究人员更是把涉及到三维的内容与二维内容互为变化，同时又充分利用变形热弹其平面塑性的物理特性，研究了一种集计算精准，数据平衡并行之有效的推论办法，当然其功能还在于有效稳定的三维焊接热弹性有限元法，其中具有代表性的就是汪建华等人[16-18]。由于焊接分段移动热源在有限元模型的建立上较为复杂，为了少计算、简化模型构建、提高计算效率清华大学就经过研究，简化了建模方法并将此研究应用到了挖掘机、起重机主梁的设计、制造工艺当中取得了较好的效果 [19]。哈尔滨工业大学焊接教研室主任田锡唐是我国著名焊接专家，在焊接结构强度和变形控制方面有突出贡献，在焊接热力过程有限元数值模拟应用上进行了多方面的研究工作[20]。哈尔滨工业
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大学的孟庆国、陶军等在焊接动态位移场的建模与数值模拟也做了研究[21]。二十世纪60年代和70年代，关桥院士在航空工业焊接中作出突出贡献，攻关了多个飞行器特种焊接项目中关键技术，并提出了“低应力无变形焊接”理论，即焊接的“静态控制”推向“动态控制”，这种理论是他从大量影响飞行器薄壁焊接结构安全性和可靠性的因素中，提炼出的一个构思[22]。在高速机车结构的数值模拟应用上，大连交大的崔晓芳、杨鑫华、兆文忠在基于热—机耦合算法建立了热弹—塑性仿真模型 [23,24]。
经过国内其它一些专业人员的不断深入研究，焊接领域的不断发展也是突飞猛进。首先是关于焊接结构的有限元技术，从原有的只注重在应力应变场和温度应变场这一专一的方面向同时可以检测到组织、结构、性能这一中观和微观尺度这种专科性的发展。从原有单一的温度场、电流场、应力应变场发展到纵向的多场和多维耦合集成的变化方向。
三、热—弹塑性有限元分析理论
（一）焊接温度场
焊接件在焊接时在焊接热源的高温焊接下，焊接件内外各点的某一时刻的温度分布情况称为焊接温度场。由于焊接过成是一个动态过程，因此在构件焊接时形成的温度场随时间变化而变化且极不均匀，在极不均匀的温度场作用下使焊接件产生焊接形变，同时焊接件的金属组织形态发生改变。金属显微组织的变化也可以是焊接件产生应力并引起形变。可以得出结论分析焊接产于变形首先应从焊接温度场着手，但也不能忽略金相与显微组织对焊接形变的反作用。因此讨论转向架侧梁焊接变形第一步应模拟计算分析侧梁的焊接温度场分布情况。[1]11
1．焊接传热形式与基本方程
（1）焊接传热的形式 对于焊接过程来说有热传导、热辐射、对流等三种过程同时存在，但是那种传热形式占主导地位要看构件的加工工艺与方法而定，在电弧焊接的条件下时，焊接电弧所产生的能量主要与辐射和对流的形式传递给焊接构件，焊条和母材在获得能量后主要以热传导的形式在内部扩散，焊接热传递过程研究的对象就是焊接的热温度场随时间变化的规律是怎样的，但主要是以热传导为主，辅以热对流和辐射的作用。
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（2）焊接热传导的方程 按照热从焊接构件的高温部位向低温部位流动，它的流动遵循傅立叶定律。根据傅立叶定律及能量守恒定律，可以导出任一无限大物体内部的热传导基本方程。假设有一个无限大的物体dV=dxdydz，则在x、y、z三个方向的热流量的变化设为dqx、dqy、dqz，在dt时间内单位体积dV的热量变化为[25]：
得到的热传导的基本方程式为：
?T??2T?2T?2T?(2?2?2)???2T (1-1) ?tc??x?y?z式中?——热扩散率（cm2/s）； ?——拉普拉斯运算符号；
?2T——沿x、y、z三个方向二阶偏导函数T(x、y、z)之和。[26-28]
表1-1 焊接件在不同热源获得热能
热源 点热源 Q n 3 R 备 注 Q?q?t Q hQ Fx2?y2?z2 x2?y2 线热源 2 H表示薄板厚度 F代表杆件横截面热源 1 x 面
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结 论
本文在总结前人的工作基础上，利用SolidWorks软件模拟了SS4G电力机车转向架侧梁缝的瞬时温度场、静态的应力场、构架侧梁焊接合位移的变化情况，分析焊接变形数值模拟与焊接应力数值模拟的基本原理，寻找提高电力机车转向架焊接变形数值模拟精度的分析方法，并通过SolidWorks Simulaiton软件制作了SS4G机车转向架侧的三维有限元模型，考利用SolidWorks有限元分析软件的Static非线性静态分析、热分析（Thermal Analysis）插件（算例）的应力与温度场分析功能模对4种不同焊接顺序模型进行分析得出研究成果如下：
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参考文献
[1] 黄小叶.焊接构架侧梁残余应力数值模拟[D].西南交通大学硕士论
文.2010:1-20
[2] 拉达伊.焊接热效应温度场、残余应力、变形.熊第京等译[M].机械
社.1997:45-46 [3]
Wu Qiang,Gong Jinke,Chen Genyu,et al.Research on laser welding of vehicle body.Optics&Laser Technical 2008,40:420–6.
[4] 张三磊.动力机车转向架焊接变形预测系统研究[D].上海交通大学硕
文.2010:1
[5] 汪建华.焊接变形和残余应力预测理论与计算一发展及应用前景[C].届计
算机在焊接中的应用技术交流会论文集.上海.2000:13-19 [6] 武传松.焊接热过程数值分析[M].哈尔滨工业大学出版社.1990:12 [7]
WatanabeM,SatohK.Fundamental study on buckling of thins steel plate due to bead-welding.Journalof Japan Welding Society[M].1959,27(6):13-20. [8] Daniewicz S R,McAninch M D,McFarland B.Application of deformation
control technology duringfabrication of large offshore structures.Proc.of AWS/ORNL International Conference on Modeling andControl of Joining Processes[M].1993:67-68 [9]
KS.AlfredssonandB.LJosefson.Harmonie Respnse of a Spot Welded BoxBeam-Infiuence of Welding Residual Stresses and Deformations[J].Proc. IUTAM SymPosium on the Mechanical Effeets of Welding. Lulea, Aweden,june,1991:1-8
[10] Goldak J,Chakravarti,eta l.A New Finite Element Model for Welding Heat
Sources.MetallurgicalTransactions B[M].1984,15B:298-306
[11] GoldakK,ZhouJ,eta l.Thermal Stress Analysis of Welds:From Melting Point
to Room TemperatureProceedings of the International Symposium on Theoretical Prediction in Joining and Welding[M].Japan.1996:225-230 [12] Tso-Liang Teng,Chih-Cheng Lin. Effect of Welding Conditions on Residual
Stresses due to ButtWelds. International Journal of Pressure Vessels and Piping[M].1998,75:856-868
[13] L.karlsson.etal.Thermal stresses in welding, in R.Hetnarski(ed.).Thermal
Stressesl North.Holland, Amsterdam, ChaPters, 1986:299-389
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