钛合金比强度高、耐腐蚀性好、熔点高、高温性能好,因而能满足航空、宇航、核反应堆等尖端技术领域的严格要求。电子束焊接由于化学成分纯净、能量密度高、焊接接头热影响区小等一系列优点成为钛合金焊接的首选。 电子束焊接属于局部高温加热,高功率密度的热输入集中作用在焊缝附近,造成焊接区温度的急剧变化并在工件内部形成较高的温度梯度,并导致焊后产生较大的残余应力。焊接残余应力的存在是导致裂纹产生和影响结构强度、使用性能的重要因素。因此,分析电子束焊接过程中温度和热应力的发展过程,深入研究残余应力的形成机理具有重要的工程实际意义。 本研究在西北工业大学2-64位集群系统高性能计算系统环境下,基于ANSYS的虚拟试验平台,以12mm厚TC4钛合金平板为研究对象,建立了真空电子束焊接的温度场有限元数值计算模型。通过对电子束深熔焊接特点的分析,提出了圆锥形体热源模型,并对电子束焊接温度场进行了数值模拟。模拟的熔池形状和焊缝形貌与文献结果有良好的一致性。在温度场分析的基础上,基于热弹塑性有限元理论建立了钛合金应力场有限元数值计算模型。计算获得了TC4钛合金真空电子束焊接热应力的发展历史和残余应力的分布特征。平板工件中心存在较大的残余应力分布区。在横向距焊缝中心10mm内存在300MPa～594MPa的残余应力。厚度方向上垂直应力以压应力为主,最大值约400MPa位于工件的中心。 真空电子束的聚焦束斑直径约为0.1mm～1mm,因此在空间上对焊缝附近区域的网格划分需要比普通焊接方法时细的多,导致计算量大大增加。本文通过在集群系统计算环境下ANSYS的并行计算,在保证计算精度的前提下,显著的提高了计算速度,为大型复杂焊接构件的计算奠定了基础。