0 序言

　　某復雜結構是發動機的重要組成部分，其特定工作環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連接制造。結構的工作環境要求其能在一定壓力下正常工作，采用傳統的物理實驗方法難以得到復雜結構壓力作用時的應力分布，如何通過數值模擬方法獲得復雜結構壓力作用下應力分布情況成為發動機結構設計和制造時需要關心的問題。本文使用Marc有限元軟件，根據周期對稱結構特點進行簡化建立了應力分析的局部三維模型，并分析了復雜結構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構中應力分布的影響。

　　1 有限元模型

　　復雜結構截面示意圖和局部三維網格模型如圖1所示。結構最大部位直徑500mm左右，高度200mm左右，內部結構復雜。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的。因此必須根據結構的特點進行合理的簡化。復雜結構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。復雜結構最后組裝時共有兩條焊縫，本文主要結合焊接小端焊縫的殘余應力研究復雜結構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

　　復雜結構由4種材料構成。具體結構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據取自文獻[1-4]，熔敷金屬材料數據采用Inconel718材料的數據進行近似。

　　1.2邊界條件

　　復雜結構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，通過在相同的網格模型、材料模型的基礎上，設定不同的邊界條件可以分別得到結構壓力作用下的分析模型和結構焊接過程分析模型。

　　(a) 結構軸截面示意圖

　　(b) 局部三維網格模型

　　圖1 復雜結構軸截面示意圖和局部三維網格模型

　　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

　　在分析結構壓力作用下的應力分布時，根據結構周期對稱特點，兩個周向界面上均采用無周向位移約束，同時根據壓力試驗特點，在結構上部水平界面上采用無軸向位移約束，在結構內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，根據結構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，在結構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

　　結構施加的壓力為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果與實測結果基本相同，可以認為所建模型基本合理。

　　2 壓力作用下結構中的應力分布

　　利用局部三維有限元分析模型，分析和研究結構施加23MPa壓力條件下的應力分布特點。圖2為復雜結構中距離對稱面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果表明，徑向和周向拉應力主要分布在環管結構中，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徑向裂紋與其承受較大的拉應力是原因之一有關。

　　4焊接殘余應力對壓力作用下結構中應力分布的影響

　　圖4為考慮焊接殘余應力情況下作用23MPa壓力時結構中的應力分布。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壓力時結構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 結構等效應力(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構中的應力分布

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

　　5 結論

　　利用局部三維有限元分析模型研究了復雜結構焊接殘余應力分布及其對壓力作用下結構中應力分布的影響，結果表明壓力作用下結構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構中的應力分布存在較大的影響，在考慮焊接結構的工作壓力時，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(結構鋼、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據手冊編委會. 機械工程材料性能數據手冊[M]. 北京：機械工業出版社，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. 大型電機轉子焊接殘余應力的數值模擬研究[D]. 北京：清華大學機械工程系，2001