工程力学英文翻译 - 图文

数值分析焊缝引起的残余应力和塑性破坏对弹性钢板的影响 摘要：本文介绍的数值分析，阐明了焊后残余应力和相关的塑性损伤对316L奥氏体不锈

钢板的弹道性能的影响。用一个中心三个通槽焊接、18毫米厚的板与半球形的平头弹进行冲击模拟，初始速度在300–800米/秒范围内。数值框架包括相互关联的三个阶段：第一，用有限元建立模型，用两个独立的数据集制定标准并验证；第二，用有限元中针对撞击模型的剪切破坏断裂准则，校准和验证约翰逊库克材料模型；第三，将焊接模拟的结果转移到有限元软件建立的碰撞模型中，应用经过验证的材料和断裂模型预测焊接板的弹道性能。结果表明，相关的塑性应变损伤在焊接过程中累积,其分布对弹道性能有不利的影响。还表明用于分析焊件中预先存在的损害的断裂准则必须用于焊接结构的碰撞分析中。

关键字：弹性碰撞；焊接板；残余应力；焊后塑性损伤；有限元模拟

1 简介

残余应力为自平衡应力，存在于没有外力的作用的结构中。典型的，比如在材料加工 和制造技术产生了残余应力。最不受欢迎的残余应力之一是由金属结构领域传统的焊接过程引起的，在这个过程中，高拉伸残余应力从近焊缝区和工件的其余部分之间的永久失配中发展起来[1]。这些焊后拉伸残余应力通常通过加速裂纹焊缝附近区域增长导致一个组成部分的过早失效[1,2]。另一方面，残余压应力的引入（例如，通过喷丸）可以通过把工件表面压缩来改善组件的疲劳寿命，从而抑制裂纹增长[1,3-5]。

关于残余应力对循环疲劳寿命和疲劳裂缝扩展的影响我们已经研究了多年，因此可以合理地理解它们[4]；然而，几乎没有什么信息存在与那些残余应力对冲击性能的影响的可用文献中。Reddy和莫汉达斯[6]用实验研究焊接过程和残余应力对高强度低合金铁素体钢弹道冲击性能的影响，采用三个不同的焊接程序（即手工电弧焊屏蔽金属弧焊，FCUW-药芯焊丝焊接的焊接工艺和残余应力的影响电弧焊和氩弧焊-钨极氩弧焊）。他们发现，与FCUW和GTAW相比，采用手工电弧焊热影响区（HAZ）的弹道性能得到改善；但是没有报道腹板的弹性性能。这种性能的改善要归因于拉伸残余应力与弹丸穿透影响轴的对齐，因此得到结论，残余应力场在某些情况下可能是有利的[6]。本文作者并不知悉在公开文献中已进行类似的影响评估的任何其他出版物。

目前的研究展示了检查残余应力及相关塑料损害对焊接奥氏体不锈钢板的弹力性能影响的有限元（FE）模拟。用一个三通式槽焊缝中心线的18毫米厚板，316 l钢，来模拟半球形嗅和塌鼻子的射弹对对接焊缝的影响,初始速度范围,在300-800 m / s。目前的分析包括脱钩焊接（通过有限元分析/标准）和弹道导弹（通过有限元分析/显示）的模型，其中的焊接模拟结果（即残余应力场和焊后塑性应变）作为输入的影响分析传输。用于碰撞模拟的约翰逊库克材料模型已经利用发表的实验数据进行了校准和验证,同时利用一个可以

在有限元分析/显式剪切破坏验证断裂模型来预测焊接结构的弹道性能。

2 焊接板

一个钨极惰性气体三通式保护焊(TIG)是在194毫米450毫米18毫米块AISI 316 l不锈钢中进行的,中心线加工槽长80毫米深6毫米。在加工槽后，但在焊接前，这块压力缓解炉从室温加热到1050摄氏度，5℃/分钟，保持在1050±5℃45分钟，炉冷却到300℃，然后空气冷却至室温。然后将这个槽用三个后续焊道通过自动TIG焊接,使用0.9毫米ER316L填充焊丝(图1)。焊接试样在无约束条件下进行焊接，所以该板块会无约束的扭曲，这种情况会导致一个偏离焊接线约±0.8L的弯曲变形（表示在有限元模拟的3轴），和一个约0.4弯曲变形绕横向焊缝轴线（表示1轴）。试样广泛安装在焊接过程中，一些在不同地点的热电偶为有限元模型输入捕捉焊接过程的循环热历史[7]。

图1 三通式槽焊缝样本

3 有限元建模

用有限元6.9进行有限元模拟[8]，在有限元中，如图2a，建立焊件有代表性的半模型,假设焊缝中心线对称轴，以减少计算费用。有限元分析被分成三个阶段：第一阶段，在有限元分析/标准中建立热机械焊接模型，考虑到有限元焊接模拟的验证精度，我们使用一个隐式的制剂[9-11]和并用独立衍射技术验证；在第二阶段，使用高应变速率和温度升高的测试数据来确定约翰逊-Cook模型参数并使用弹道冲击实验数据来验证；第三阶段，焊后残余应力和相关塑性损伤的焊接模型在有限元分析/标准被导入到一个影响模型内置在有限元分析/显示的，它采用校准和验证的约翰逊-库克材料模型和剪切失效（SF）断裂准则捕捉到弹丸焊件的相互作用（图2b）。

3.1 有限元分析/标准中的焊接模型

因为其他地方提出了关于焊缝的模型开发和验证的全面概述[9,10]，所以这里仅包含对这一分析的简要描述。使用有限元分析建立一个3D半模型包括38220六面体（参见图2a）。焊接模拟解耦成连续的热物性参数和力学分析，由热历史预测的热分析作为随后的力学分析的输入。因为板(AISI 316 l)和填料(ER 316 l)材料的差别仅在于Cr的含量，同样的热的物理和机械性能被认为同样适用于母材(板)和焊缝金属。此外，由于板父和填料焊接材料是奥氏体钢，对于数值解不要求固态相变。

一个详细的焊接参数（即火炬设置）允许一个准确的传通的移动热源校准的热电偶数据记录，进行使用专用焊接热源建模工具的FEAT-WMT[12]。瞬态身体使用FEAT-WMT确定的热通量的数据，然后作为输入机械焊接模型，减少集成的应力元素（C3D20R）用于代替传热元件（DC3D20）捕捉到焊件的构响应。由于强循环硬化AISI316L，在有限元中指定材料的各向同性的运动混合加工硬化数据。这个预测的行为通过一个勒梅特CHABOCHE的的硬化模型安装经验数据[13,14]，允许模拟包辛格效应和循环硬化塑料勒索，在焊接过程中这是两个重要的现象[11]。

焊后的残余应力场的力学模型预测，通过对中子衍射验证[9,10]同步spiralslit[15]测量焊件，具有良好的一致性。这些应力和相关的塑性应变随后被映射到有限元分析/显示领域的一个优化的影响模型内。这第二个的有限元网格（图2b）不包括焊帽，如在实际结构中，这通常是运行之前除去。图3表示出了从热机械模型中的残余应力，塑性应变分布和优化的影响模型。这些模型的比较表明，两个盖去除过程和所需的插值不一致网格几何形状不影响预测焊后消除应力/在映射过程中的应变场。

3.2 影响模型网格几何构响应的校准和验证，在影射期间不影响预测焊后应

力/应变场

用于碰撞模拟的数值模型需要一个材料模型和断裂准则。约翰逊-库克材料模型[16]是用来预测目标行为的，而有限元分析/显示中提供的SF断裂被认为是在这项工作中。下面提供的每一个形式主义的概述，紧跟着用于每个进程的校准和验证的摘要。

3.2.1 约翰逊-库克本构模型

约翰逊-库克本构模型[16]是一个经验模型，表示为：

（1）

其中σeq是等效的应力；

εeq是等效塑性应变；

为无量纲的塑性应变率，其中

和分别为应变速率和用户定义的应变速；

A，B，N，C和m为材料常数。

同源温度T定义为T=(T-Tr)/(Tm-Tr)，其中T是绝对温度，Tr为室温，Tm是熔化温度。 （a）

图2(有限元模型在有限元分析/标准:(一)通过热机械应力焊缝模型;有限元分析/显式:(b)模型的影响)

图3(原始网格横截面焊接热机械分析：（一）应力剖面;及（b）塑性应变曲线。细化网格横截面（带

焊帽删除）的影响分析，映射后：（三）应力剖面;及（d）塑性应变曲线。)

3.2.2 剪切破坏（SF）断裂准则

剪切失效(标准型)断裂模型是基于等效塑性应变在一个元素中的累积,正如[8]定义的：

(2)

其中ω是损伤参数;

是初始值（即预先存在的）的等效塑性应变和

是约翰逊库克断裂

应变，[17]中已给出：

(3)

其中D1，D5为材料常数和

为三轴应力，

代表静水压力。XP1预测材料失效。

SF断裂准则用于结合与约翰逊库克材料的模型元素的侵蚀。

3.2.3 约翰逊-库克材料模型校准

Dey et al[18]所使用的校准约翰逊-库克材料模型的材料参数如下。等式（1）中的参数A、B、C、n与在准静态单轴拉伸测试不同温度下的实验数据拟合[19]和应变率[20]相符合，如图4所示。参数A被指定为0.2％偏置屈服应力在室温下（23°C），让同样单调的应力 - 应变曲线拟合参数B和N。参数C是由在室温下的高应变速率试验获得的（图4b），而m的测定是使用升高的温度测试数据（图4a）。常规最小二乘法被用于所有的校准研究。约翰逊—库克316L不锈钢所得到的参数列于表1，图4给出了预测材料的行为316L使用校准后的约翰逊—库克的模型，这两套经验数据吻合良好。

3.2.4 约翰逊-库克材料模型和断裂准则验证

实验断裂应变参数

=0.49由316L板的影响研究[21]获得，用于SF断裂准则（式（2））

连同校准的约翰逊—库克材料模型。在有限元分析/ 显示中建立使用Cook本构模型参数的冲击模型，和验证的实验的观测值[21]相反，其中包括一个12.68毫米的扁钢带的扁平鼻（FN）弹丸与质量为29.9克的一个0.5毫米厚的316L板，在一个初始的黄赤交角30o的实验和模拟结果一致，如图5所示，当实现全面渗透，有轻微的低估,弹道极限（小于下限3.3％）。图6a表示出由FN弹丸穿透后板，可以看出，实验中观察到的故障机制（例如，拉伸强度，撕裂和铰链）被再现在数值模型中。图6b所示，一个12.68毫米半球形头形弹丸与19.9克质量正常渗透率（0o倾角角度）还可以模拟和比较实验结果[21]。

表1 316L不锈钢的约翰逊—库克模型参数

A(MPa) 238 B(MPa) 1202.4 a 0.675 C 0.0224 m 1.083 0.49

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