0 序 言
焊接残余应力产生的主要原因是由于焊缝冷却后，塑性应变的形成引起了拉应力[1]. 焊接残余应力属于自平衡应力，是非均匀温度分布，焊接材料金相组织变化，焊缝变形受到刚性约束等共同作用导致的. 焊接残余应力作为焊接构件的初始应力，在构件服役期间会与外荷载引起的工作应力相互叠加，影响焊接结构的力学行为. 焊接残余应力与焊接缺陷、接头几何不连续、冶金非均匀等因素交互作用对结构的疲劳性能影响很大，会使初始缺陷扩展速率加快，降低疲劳寿命. 焊接残余应力是降低焊接构件性能及可靠性的重要因素之一，因此，控制焊接残余应力对于结构有至关重要的作用[2].自Ueda等人[3]以有限元法为基础，建立计算焊接力学以来，国内外学者对典型焊接节点残余应力的数值模拟技术进行了不少研究[4-10]. Maranhao等人[11]对焊接残余应力有限元数值模拟技术研究现状进行了综述.
焊接斜十字接头焊缝集中焊接残余应力分布复杂，受反复荷载作用易在焊趾处萌生裂纹[12].为研究全熔透焊接斜十字接头残余应力分布状态，文中基于温度场和应力场间接耦合方式，对焊接残余应力开展了有限元数值模拟研究. 分析得到全熔透焊接斜十字接头残余应力峰值点位置分布及斜十字接头焊缝形式对焊接残余应力分布状态的影响.
1 热-力非线性间接耦合分析原理
参与热分析的荷载有多种，忽略作用较小的荷载，仅考虑热生成率和对流荷载. 对流荷载用于模拟焊接结构与周围空气介质之间的热对流交换过程. 利用ANSYS进行热力学分析时，对流荷载可以作为结点荷载或单元面荷载施加到有限元模型上. 按照施加荷载的方式施加生热率时，可以直接加载在有限元模型上，也可以施加在几何模型上.通常热分析中考虑两种传热过程：稳态传热和瞬态传热. 实际工程中一般用瞬态热分析计算温度场，基于能量守恒原理的热平衡方程，采用有限元方法计算节点温度并导出其它热物理参数. 在焊接过程中，材料的热力学特性参数是随时间改变的，焊接过程中钢材发生的塑性变形也需要考虑，因此，焊接过程的热分析属于非线性瞬态热分析. 非线性瞬态热分析的有限元热平衡方程为
式中：C(T)为比热矩阵，用于表示系统内能的变化，是关于温度T函数；
为温度对时间的导数；[K(T)]为热传递矩阵，同样是关于温度T的函数，热传递矩阵中需要考虑传导、对流、辐射热传递及形状系数的影响；{T}为各节点的温度向量阵；[Q(T)]为节点的热流率，也是温度T的函数.
【11】吕天成《曲品》，见中国戏曲研究院编《中国古典戏曲论著集成（六）》，中国戏剧出版社1959年版，第230页。
ANSYS模拟焊接一般采用热-力间接耦合方法对焊接过程进行数值模拟. 将热分析与应力分析分步进行，先通过热分析得到结构温度场分布，再将温度场按照节点温度荷载的形式施加到结构中进行应力分析，从而得到残余应力分布.
2 焊接节点有限元模型
钢结构实际焊接过程复杂影响因素多，很难做到完全精确的模拟. 采用有限元方法进行焊接分析时，往往需要给定一些假设条件：①忽略辐射引起的热量损失，且焊接过程中热量损失是固定的；②空气对流系数保持不变；③材料不发生化学反应；④熔化后的焊材不流动；⑤焊接速度保持不变.
在ANSYS中，选取热分析单元solid70. 在后续的应力场分析时可以利用单元转化命令转换为solid185单元. 用于温度场计算的材料热力学参数包括密度、热导率和比热容. 随着温度的不断变化，材料参数也在发生变化. 表1为不同温度条件下Q345C钢材的热力学参数.
采用SP免疫组化法检测VEGF的表达。试剂均购自北京中杉金桥生物科技有限公司，其中包括免疫组化试剂盒、鼠抗人VEGF单克隆抗体(即用型)、DBA显色试剂盒。
表1 材料热力学参数
Table 1 Material thermodynamic parameters
比热容c/(J·kg-1·K-1)20 7.85 110.0 460 200 7.85 121.2 477 400 7.85 133.8 515 600 7.79 133.9 565 800 7.66 157.7 678 1 000 7.53 179.1 703 1 200 7.40 200.5 708 1 500 7.10 200.5 708 2 500 7.00 200.5 708 3 000 7.00 200.5 708温度T/℃密度ρ/(103kg·m-3)热导率λ/(10-7W·m-1·K-1)
为考虑不同倾角 θ(15°，30°，45°)全熔透焊接斜十字焊接节点残余应力场分布，设计一带斜焊缝的十字形焊接接头，构造如图1所示，有限元模型如图2所示.
本次研究为小样本研究，还需进行长时间大样本的临床实验，获得更为准确的数据，因此有待于下一步研究探讨。目前已从阴道内分离出16种乳酸杆菌，具有抗肿瘤的乳酸菌还是有限的[10]，如何更好地维持阴道乳酸杆菌数量的稳定性，以及如何更好地发挥其抗肿瘤活性，这些都有待我们进一步去研究。
图1 斜十字形焊接节点构造图(mm)
Fig. 1 Oblique cross welded joint structure diagram
图2 有限元模型示意图
Fig. 2 Finite element model diagram
焊缝截面的模拟采用三角形式，与实际情况存在一定的差别. 在焊缝区域，结构形状规则，单元网格划分的较小，最大长度为2 mm，采用映射网格划分. 远离焊缝区域，结构形状不规则，也不是关注位置，单元划分较粗，采用自由网格划分. 焊接为一次焊接，按照俯视图下顺时针焊接，相邻焊接之间，焊接的过渡时间为间隙5 s.
3 温度场分析
3.1 温度场荷载的施加和求解
设定20 ℃为参考温度，在长板左端外边界面施加固定约束. 根据该模型的特点，焊接中热源采用热生成率形式的体热源模式. 热生成率可作为体载荷施加于单元上. 对于焊接传热过程，热生成率可以采取式(2)计算，即
提及创新，浙江印刷集团确已迈出自己的步伐。首先，其正致力于跳出单纯的印刷加工，延长产业链，为“打造最佳综合印刷服务商”而努力。金汉宏董事长提出这样一个观点：出版社提供内容、资源，而其他部分都可交由印刷企业完成。“我们要涉及到印前的设计策划、图文制作、材料选择，印后的整体包装。出版社只需向我们提供内容，至于其他的可以依靠先进的印刷技术来实现。”其次，“机器换人”也是浙江印刷集团的增效手段之一，以推进设备自动化提升和改造工作。集团通过自动化、智能化的机器替代人工，打造一体化的生产流程，进行精细化管理，提高生产效率。
式中：Q为热生成率；η为焊接热效率；U为焊接电压；I为焊接电流；V为单元总体积. 表2为不同焊接方法的热效率.
考虑采用CO2气体保护焊施焊，热效率按0.75进行计算，施焊速度25 m/h. 施焊电流120 A，施焊电压25 V. 焊缝单元分多层，每层厚度约1.56 mm.散热荷载采用对流换热的形式，选取模型所有外表面进行施加. 施加对流荷载时，定义对流换热系数为10，空气的平均温度为20 ℃.
1）需求表达和汲取机制。面对日益增长的公共服务需求，艾医卫等［50］提出建立需求表达机制和需求汲取机制。针对农民的利益表达机制缺失，胡志平［12］提出重构农民的利益表达机制与公共参与机制。王蔚等［51］认为，建立农民对公共服务需求的表达机制，应注重农民作为农村公共服务需求主体的作用，建立起以尊重农民个体权利基础上的多样的组织化公共服务需求表达机制。
表2 不同焊接方法的热效率
Table 2 Thermal efficiency of different welding methods
焊接方法 热效率η焊条电弧焊 0.65 ～ 0.85埋弧自动焊 0.80 ～ 0.90 CO2气体保护焊 0.75 ～ 0.90熔化极氩弧焊(MIG) 0.70 ～ 0.80钨极氩弧焊(TIG) 0.65 ～ 0.70
采用控制单元死活来模拟焊缝的生成过程. 施焊前将单元刚度矩阵极小化，四道焊缝单元均不参与刚度贡献. 逐渐激活焊缝单元，焊缝分步形成参与热交换和应力分配. 采用阶跃荷载的加载方式施加突然变化的生热率和对流荷载.
在原有的基础上继续加大出台相关优惠政策，鼓励回归越商企业加速从高耗能、高污染、低技术、低水平的领域退出，重点投向一些战略性新兴产业，如电子商务、信息软件、先进装备制造、物联网、生物医药、节能环保、新能源等战略性新兴产业领域；鼓励越商运用先进技术改造提升传统产业，坚持以增强创新活力为先导；鼓励越商加大研发投入，采用新工艺、推广新技术、开发新产品、推行新模式、开辟新市场，坚持以开放合作为动力；鼓励越商通过“以民引外”发展，推进产业招商、技术和品牌合作、市场渠道拓展，融入全球产业分工体系，以此不断提高企业核心竞争力和可持续发展能力。
3.2 温度场荷载的结果与分析
图3为全熔透斜十字形焊接节点焊缝角度θ =15°时，典型时段的温度场计算结果.
图3 斜十字焊接节点 (θ = 15°) 温度场
Fig. 3 Temperature field of welded joint (θ = 15°)
从图3看出，第一道焊缝结束时，焊接节点焊缝处最高温度约为2 841 ℃，第四道焊缝结束时，焊接节点焊缝处最高温度约3 077 ℃. 按不同顺序和间隔焊接会导致温度分布出现差异. 与第一道焊缝结束时温度相比，第四道焊缝结束时的温度增加不少，且焊接结束后还存在温度持续升高的一段传导时间. 表3为焊缝角度θ不同时，第四道焊缝在不同时间段的温度峰值.
从表3可以看出，温度场峰值会随斜十字形焊接节点夹角增大而减小. 夹角越大，热传导的整体距离越长，减小了温度场的峰值. 就温度场分布而言，增加十字形焊接节点的焊缝角度更有利. 对于同一模型，尽管在43.8 s时结束焊接，但可以看到在44.8 s时温度峰值仍然在增加，直到45.8 s时温度峰值才开始有所减小. 实际焊接结构中，为改善焊后残余应力分布，采取分层焊接或从中心向两边施焊的焊接工艺是十分必要的.
选择斜十字形焊接节点θ = 45°模型，定义如图4所示关键点，得到关键点温度随时间的变化曲线，如图5所示.
表3 不同模型的温度场峰值结果(℃)Table 3 Temperature field peak results
角度 θ/(°) 时间 t/s第四道焊缝位置起点 中点 终点15 36.6 228 276 369 43.8 482 2 537 3 077 44.8 432 1 767 3 620 45.8 395 745 3 595 30 36.6 230 249 348 43.8 436 1 861 2 961 44.8 392 724 3 500 45.8 359 540 3 465 45 36.6 183 211 298 43.8 356 577 2 762 44.8 319 443 3 299 45.8 292 377 3 233
图4 关键点示意图Fig. 4 Key point diagram
图5 关键点温度随时间变化曲线
Fig. 5 Key point temperature change curve over time
由图5可以看出，关键点4，7附近出现2 000 ℃以上的温度极值；5，6，8，9关键点处温度约1 000 ℃；1，2，3关键点处温度最低，不超过 500 ℃. 导致这一非均匀温度分布的原因是散热不同. 钢材传热速度远大于空气的自然对流速度，关键点4，7与母材接触面积最小，主要以空气对流进行热交换；关键点1，2，3与母材接触面积最大，所以散热最快；关键点8，9，5，6的散热能力介于两者之间. 计算结果表明，某条焊缝施焊时，先完成的焊缝温度传热对该焊缝影响较小，焊缝冷却时间大约为10 ～ 20 s.温度峰值变化很大，大约3 s内从200 ℃升高到2 000 ℃以上再陡降至1 000 ℃以下.
4 空间残余应力场分析
计算得到全熔透斜十字形焊接节点焊接过程中的温度场后，基于ANSYS热-力耦合分析功能，可以求解空间残余应力场分布.
4.1 结构场荷载的施加
不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比热容不同的组织是产生残余应力的根本原因.残余应力分析时，涉及钢材的塑性变形，需要考虑不同温度条件下钢材力学性能. 表4为不同温度下钢材主要力学性能.
表4 钢材力学性能
Table 4 Mechanical properties of steel
温度T/℃屈服强度ReL/MPa弹性模量E/GPa切线模量Et/GPa线膨胀系数α/(10-6 ℃-1) 泊松比ν 20 315.0 209 20.9 11.00 0.28 200 276.4 195 19.5 12.12 0.30 400 234.4 180 18.0 13.38 0.30 600 192.3 159 15.9 14.30 0.32 800 159.2 133 13.3 15.77 0.37 1 000 126.1 109 10.9 17.91 0.39 1 200 93.0 84 8.4 20.05 0.40 1 500 33.0 45 4.5 20.05 0.40 2 500 11.7 1 0.1 20.05 0.40 3 000 1.0 0.1 0.01 20.05 0.40
设定经典双线性随动强化模型为材料的塑性本构模型，以屈服强度和切线模量为控制方式，不同方向随动强化. 由于焊接残余应力是自相平衡的，位移约束只需约束刚体位移，有限元计算模型中，约束长板边缘上节点的X，Y和Z方向自由度.结构应力场分析实质为多荷载步的静力分析，将温度作为荷载施加在模型中，通过重复读取温度场非线性瞬态分析得到的节点温度作为荷载即可模拟温度的变化过程. 在整个施焊过程，温度既有增加也有减小，设置弧长法进行非线性迭代，有利于计算达到收敛.
4.2 结构场计算结果
图6为45°模型的残余von Mises应力分布，在焊缝4附近，出现较大残余应力分布.
微波辅助提取是指将各个成分放在微波反应器中，选择合适的溶剂，将其从动植物或矿物中提取出来的方法。高经梁等[20]对微波在提取花椒精油过程中的辅助作用进行了研究，发现花椒精油微波提取的最优提取条件为：料液比1∶10，微波强度600 W，50 ℃的温度下提取2 min，得到的花椒精油的最终提取率为18.56%。与溶剂法相比，该方法精油收率可达到9.96%；与其他方法相比，该方法的能耗较少，所用时间短，且提取操作更方便，有效成分的得率较高，是一种较为新式的、具有明显优势的提取方法。
图6 残余Mises应力
Fig. 6 Residual Mises stress
为了分析焊缝附近残余应力的分布状态，定义1→2、3→4、5→6和 7→8四条路径，以查看路径上的应力变化，如图7.
全市耕地资源稀缺。耕地数据显示：全市人口120万人，其中乡村人口28万人，耕地面积28万亩，按户籍人口计算人均耕地面积 0.24亩，按乡村人口计算人均耕地面积1亩，相对于国外家庭农场，人口平均耕地面积大小相差甚远。因此，为了完成当地粮食生产任务，必须扩大种植范围，减少城市绿化占地比例，增加“优化城乡结构、完善城市功能、提升人居环境品质”的工作难度。
图7 路径定义示意图
Fig. 7 Path definition diagram
定义焊缝纵向为Y方向，焊缝横向长板方向为X方向，焊缝横向短板方向为Z方向. 图8为45°模型的残余应力沿路径分布曲线.
图8中 P13X表示 X方向应力，P13Y表示Y方向应力，P13Z表示Z方向应力，P13E表示von Mises应力.
图8 残余应力沿路径分布曲线(θ = 45°)
Fig. 8 Residual stress distribution along the path (θ =45°)
图8a中，四种应力在焊缝三中部有极大值，Y方向应力达到220 MPa；在焊缝三和焊缝四连接部分有极小值，X方向压应力达105 MPa；在焊缝四中有极大值，Y方向应力达265 MPa；在焊缝四右端，X方向应力有极小值，Y方向压应力为79 MPa，Z方向应力存在极大值，von Mises应力也最大，随之应力趋向0. 图8b中，焊缝横向短板方向应力在80 MPa拉应力内变化，波动较小；板端部位，X和Y方向应力存在较大值，极小值出现在中部区段，X方向压应力为190 MPa，焊缝四位置，Y方向拉应力达到最大值250 MPa；图8c应力变化规律与图8b相似，出现122 MPa的压应力，约230 MPa的拉应力. 图8d中，焊趾处X方向拉应力超过200 MPa；初始位置出现约230 MPa的拉应力，焊缝14.5 mm处出现较大的压应力；Z方向应力不超过50 MPa.综上分析得出，焊趾处单向受拉属于疲劳损伤热点，需要特别关注. 各方向拉应力在焊根周围区域均有较大值，而在中心位置有较大压应力值. X方向较大的拉应力主要集中出现在焊趾处，在焊根位置应力有拉也有压，最大压应力出现在焊缝中间；Y方向较大拉应力集中出现在焊根，而最大压应力出现在焊缝四中部和外侧；Z方向较大的拉应力在焊根和短板焊趾均有表现；von Mises应力作为折算应力，其较大值在焊缝四斜边中部、焊根和焊趾部位均有表现.
为研究焊接残余应力分布随焊缝不同角度的变化，选取模型中部截面. 表5为残余拉应力峰值结果. 当模型角度增加时，残余拉应力峰值在焊趾处减小，而在焊根处除X方向应力，其它方向结果均减小.
表5 残余应力峰值结果
Table 5 Residual stress peak result
角度 θ/(°) 应力方向 焊趾应力 σt/MPa 焊根应力 σr/MPa X 15°263 211 Y 196 385 Z 188 171 Mises 220 220 X 30°220 244 Y 162 330 Z 187 170 Mises 262 263 X 45°209 290 Y 150 269 163 145 Mises 245 260 Z
5 结 论
(1)采用间接耦合法得到了焊接过程中的温度分布. 在焊缝斜边与空气接触面大的区域，和焊缝两端，均是温度峰值主要分布的位置.
(2)不同方向较大的残余应力出现在焊趾和焊根的位置，在焊缝两端残余应力会局部增大.
(3)焊趾处单向受拉是疲劳易损点；各向拉应力在焊根周围区域均有较大值，而在中心位置有较大压应力值.
(4)随着倾斜角度增大，焊趾处拉应力峰值会减小，而焊根处除焊缝横向长板方向应力，其它方向应力值也均减小.
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