0 序言

　　某復(fù)雜結(jié)構(gòu)是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，其特定工作環(huán)境和性能的要求決定了需要采用多種材料通過電鑄和焊接的方法實(shí)現(xiàn)連接制造。結(jié)構(gòu)的工作環(huán)境要求其能在一定壓力下正常工作，采用傳統(tǒng)的物理實(shí)驗方法難以得到復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓力作用時的應(yīng)力分布，如何通過數(shù)值模擬方法獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓力作用下應(yīng)力分布情況成為發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造時需要關(guān)心的問題。本文使用Marc有限元軟件，根據(jù)周期對稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行簡化建立了應(yīng)力分析的局部三維模型，并分析了復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓力作用下的應(yīng)力分布、焊接殘余應(yīng)力以及焊接殘余應(yīng)力對壓力作用下結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布的影響。

　　1 有限元模型

　　復(fù)雜結(jié)構(gòu)截面示意圖和局部三維網(wǎng)格模型如圖1所示。結(jié)構(gòu)最大部位直徑500mm左右，高度200mm左右，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在目前的計算條件下，采用完整的三維模型進(jìn)行有限元分析是難以實(shí)現(xiàn)的。因此必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行合理的簡化。復(fù)雜結(jié)構(gòu)中周期對稱部分包括圖1(a)中所示的周向均布的100個Φ8通孔A以及周向均布280個孔B，其中孔B的周向分布如圖1(a)中截面A-A所示。復(fù)雜結(jié)構(gòu)最后組裝時共有兩條焊縫，本文主要結(jié)合焊接小端焊縫的殘余應(yīng)力研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓力作用下的應(yīng)力分布。

　　計算采用熱力單向耦合算法，對于塑性過程采用大應(yīng)變模式。

　　1.1材料性能參數(shù)

　　復(fù)雜結(jié)構(gòu)由4種材料構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)部分及對應(yīng)材料如圖1所示，具體熱、力學(xué)性能隨溫度的變化數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[1-4]，熔敷金屬材料數(shù)據(jù)采用Inconel718材料的數(shù)據(jù)進(jìn)行近似。

　　1.2邊界條件

　　復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓力作用下的應(yīng)力分布受到焊接過程殘余應(yīng)力及工作壓力兩方面的影響，通過在相同的網(wǎng)格模型、材料模型的基礎(chǔ)上，設(shè)定不同的邊界條件可以分別得到結(jié)構(gòu)壓力作用下的分析模型和結(jié)構(gòu)焊接過程分析模型。

　　(a) 結(jié)構(gòu)軸截面示意圖

　　(b) 局部三維網(wǎng)格模型

　　圖1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)軸截面示意圖和局部三維網(wǎng)格模型

　　Fig 1 Schematic diagram of structure section and the partial FEM model

　　1.2.1 壓力分析模型的邊界條件

　　在分析結(jié)構(gòu)壓力作用下的應(yīng)力分布時，根據(jù)結(jié)構(gòu)周期對稱特點(diǎn)，兩個周向界面上均采用無周向位移約束，同時根據(jù)壓力試驗特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)上部水平界面上采用無軸向位移約束，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部界面上施加均布載荷。

　　1.2.2  焊接過程分析模型的邊界條件

　　在焊接過程分析的模型中，根據(jù)結(jié)構(gòu)周期對稱特點(diǎn)及文獻(xiàn)[5]中的論述，兩個周向界面上均采用無周向位移約束，在結(jié)構(gòu)上部水平界面上采用無軸向位移約束，在周向界面上采用了絕熱邊界，其他界面上施加散熱邊界，焊接過程熱源移動采用子程序方式施加到熔敷金屬上。

　　1.3工藝參數(shù)

　　結(jié)構(gòu)施加的壓力為23MPa，焊接熱源采用雙橢圓體熱源模型。焊接工藝參數(shù)為電流I=220A，電壓U=22V，效率η=0.85，焊接速度v=16m/h。

　　利用局部三維有限元分析模型，計算了焊接過程溫度場和焊接變形，熔寬和熔深以及焊接變形量的計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本相同，可以認(rèn)為所建模型基本合理。

　　2 壓力作用下結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布

　　利用局部三維有限元分析模型，分析和研究結(jié)構(gòu)施加23MPa壓力條件下的應(yīng)力分布特點(diǎn)。圖2為復(fù)雜結(jié)構(gòu)中距離對稱面7mm處截面上的等效應(yīng)力分布情況，等效應(yīng)力較高區(qū)域主要分布在Inconel718材料和材料1部分，尤其是孔A附近應(yīng)力較大。徑向、軸向、周向應(yīng)力分布的計算結(jié)果表明，徑向和周向拉應(yīng)力主要分布在環(huán)管結(jié)構(gòu)中，徑向拉應(yīng)力達(dá)到140MPa，周向拉應(yīng)力在60MPa左右。軸向應(yīng)力只有局部呈現(xiàn)170MPa左右的拉應(yīng)力，大部分為101MPa量級的應(yīng)力。

　　3 焊接殘余應(yīng)力分布

　　圖3為與圖2相同截面上的焊接殘余應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力集中在焊縫及其周圍，焊趾部位承受三向拉伸應(yīng)力，靠近焊縫的材料2部分周向承受較大的拉伸應(yīng)力，焊接時此部位容易出現(xiàn)徑向裂紋與其承受較大的拉應(yīng)力是原因之一有關(guān)。

　　4焊接殘余應(yīng)力對壓力作用下結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布的影響

　　圖4為考慮焊接殘余應(yīng)力情況下作用23MPa壓力時結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布。對比圖3和圖4可以看出，焊縫及其周圍的應(yīng)力分布基本上保留了焊接殘余應(yīng)力的特征，遠(yuǎn)離焊縫部位則基本上保留了壓力作用下的應(yīng)力分布特點(diǎn)，由于作用23MPa壓力時結(jié)構(gòu)中分布的應(yīng)力相對較小，考慮焊接殘余應(yīng)力時應(yīng)力分布的幅值主要取決于焊接殘余應(yīng)力，尤其是焊趾部位和靠近焊縫的材料2部位承受的拉伸應(yīng)力達(dá)到200MPa以上。

　　圖2 結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力(單位：Pa)

　　Fig 2 Distribution of the equivalent stress (Pa)

　　(a)等效應(yīng)力分布(Pa)

　　(b)徑向應(yīng)力分布(Pa)

　　(c)軸向應(yīng)力分布(Pa)

　　(d)周向應(yīng)力分布(Pa)

　　圖3 小端焊縫焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力分布

　　Fig 3 Distributions of the welding residual stresses (Pa)

　　(a)效應(yīng)力分布(Pa)

　　(b) 徑向應(yīng)力分布(Pa)

　　(c)軸向應(yīng)力分布(Pa)

　　(d)周向應(yīng)力分布(Pa)

　　圖4 考慮焊接殘余應(yīng)力時結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布

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

　　5 結(jié)論

　　利用局部三維有限元分析模型研究了復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力分布及其對壓力作用下結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布的影響，結(jié)果表明壓力作用下結(jié)構(gòu)中的三向拉應(yīng)力均主要由焊接殘余應(yīng)力決定，因此焊接過程對壓力作用下結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分布存在較大的影響，在考慮焊接結(jié)構(gòu)的工作壓力時，殘余應(yīng)力的作用是不容忽視的。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[2]工程材料實(shí)用手冊編輯委員會. 工程材料實(shí)用手冊(結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼)[M]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988. 817——825.

　　[3]機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊編委會. 機(jī)械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994

　　[4]方昆凡主編. 工程材料手冊(有色金屬材料卷)[M]. 北京：北京出版社，2002

　　[5]任維佳. 大型電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬研究[D]. 北京：清華大學(xué)機(jī)械工程系，2001