0 序言

　　某復雜結(jié)構(gòu)是發(fā)動機的重要組成部分，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)的物理實驗方法難以得到復雜結(jié)構(gòu)壓力作用時的應力分布，如何通過數(shù)值模擬方法獲得復雜結(jié)構(gòu)壓力作用下應力分布情況成為發(fā)動機結(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)特點進行簡化建立了應力分析的局部三維模型，并分析了復雜結(jié)構(gòu)壓力作用下的應力分布、焊接殘余應力以及焊接殘余應力對壓力作用下結(jié)構(gòu)中應力分布的影響。

　　1 有限元模型

　　復雜結(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)復雜。在目前的計算條件下，采用完整的三維模型進行有限元分析是難以實現(xiàn)的。因此必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點進行合理的簡化。復雜結(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力研究復雜結(jié)構(gòu)壓力作用下的應力分布。

　　計算采用熱力單向耦合算法，對于塑性過程采用大應變模式。

　　1.1材料性能參數(shù)

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

　　1.2邊界條件

　　復雜結(jié)構(gòu)壓力作用下的應力分布受到焊接過程殘余應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)壓力作用下的應力分布時，根據(jù)結(jié)構(gòu)周期對稱特點，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，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)周期對稱特點及文獻[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)果與實測結(jié)果基本相同，可以認為所建模型基本合理。

　　2 壓力作用下結(jié)構(gòu)中的應力分布

　　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壓力條件下的應力分布特點。圖2為復雜結(jié)構(gòu)中距離對稱面7mm處截面上的等效應力分布情況，等效應力較高區(qū)域主要分布在Inconel718材料和材料1部分，尤其是孔A附近應力較大。徑向、軸向、周向應力分布的計算結(jié)果表明，徑向和周向拉應力主要分布在環(huán)管結(jié)構(gòu)中，徑向拉應力達到140MPa，周向拉應力在60MPa左右。軸向應力只有局部呈現(xiàn)170MPa左右的拉應力，大部分為101MPa量級的應力。

　　3 焊接殘余應力分布

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

　　4焊接殘余應力對壓力作用下結(jié)構(gòu)中應力分布的影響

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

　　圖2 結(jié)構(gòu)等效應力(單位：Pa)

　　Fig 2 Distribution of the equivalent stress (Pa)

　　(a)等效應力分布(Pa)

　　(b)徑向應力分布(Pa)

　　(c)軸向應力分布(Pa)

　　(d)周向應力分布(Pa)

　　圖3 小端焊縫焊接產(chǎn)生的殘余應力分布

　　Fig 3 Distributions of the welding residual stresses (Pa)

　　(a)效應力分布(Pa)

　　(b) 徑向應力分布(Pa)

　　(c)軸向應力分布(Pa)

　　(d)周向應力分布(Pa)

　　圖4 考慮焊接殘余應力時結(jié)構(gòu)中的應力分布

　　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雜結(jié)構(gòu)焊接殘余應力分布及其對壓力作用下結(jié)構(gòu)中應力分布的影響，結(jié)果表明壓力作用下結(jié)構(gòu)中的三向拉應力均主要由焊接殘余應力決定，因此焊接過程對壓力作用下結(jié)構(gòu)中的應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，殘余應力的作用是不容忽視的。

　　參考文獻：

　　[1] Luo X J. Study on Hot Cracking in heat-Affected Zone of Nickel-base Superalloy, Inconel718 by Laser Beam Welding. [Ph. D. Thesis] Hironshima: Hironshima University, 1999, 122——123

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

　　[3]機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊編委會. 機械工程材料性能數(shù)據(jù)手冊[M]. 北京：機械工業(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. 大型電機轉(zhuǎn)子焊接殘余應力的數(shù)值模擬研究[D]. 北京：清華大學機械工程系，2001