計(jì)算機(jī)模擬仿真在特厚板多成多道焊領(lǐng)域的應(yīng)用

1、 計(jì)算機(jī)模擬仿真在特厚板多成多道焊領(lǐng)域的應(yīng)用引言：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是以多種學(xué)科和理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的軟件為工具，通過虛擬試驗(yàn)的方法來分析和解決問題的一門綜合性技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真（模擬）早期稱為蒙特卡羅方法，是一門利用隨機(jī)數(shù)實(shí)驗(yàn)求解隨機(jī)問題的方法。其原理可追溯到1 7 7 3 年法國(guó)自然學(xué)家G.L.L.Buffon為估計(jì)圓周率值所進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)。根據(jù)仿真過程中所采用計(jì)算機(jī)類型的不同，計(jì)算機(jī)仿真大致經(jīng)歷了模擬機(jī)仿真、模擬數(shù)字混合機(jī)仿真和數(shù)字機(jī)仿真三個(gè)大的階段。20世紀(jì)50年代計(jì)算機(jī)仿真主要采用模擬機(jī)；60年代后串行處理數(shù)字機(jī)逐漸應(yīng)用到仿真之中，但難以滿足航天、化工等大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)仿真時(shí)限的

2、要求；到了70年代模擬數(shù)字混合機(jī)曾一度應(yīng)用于飛行仿真、衛(wèi)星仿真和核反應(yīng)堆仿真等眾多高技術(shù)研究領(lǐng)域；80年代后由于并行處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字機(jī)才最終成為計(jì)算機(jī)仿真的主流?，F(xiàn)在，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械制造、航空航天、交通運(yùn)輸、船舶工程、經(jīng)濟(jì)管理、工程建設(shè)、軍事模擬以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。Marc.mentat就是一款計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件，它能夠很好的解決現(xiàn)實(shí)生活中不能解決的問題，這對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活，具有重要意義，下面就通過實(shí)際的案例，展現(xiàn)該軟件的強(qiáng)大實(shí)用性。簡(jiǎn)介：厚板焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)的影響因素眾多，變化復(fù)雜，其應(yīng)力分布模型的研究是此領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。厚板焊接多應(yīng)用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，在焊接制造過程中，

3、由于焊接熱循環(huán)的存在，不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力和變形。開展焊接過程溫度場(chǎng)和焊接熱應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬研究，為控制、調(diào)整和減少焊接殘余應(yīng)力提供理論依據(jù)，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。有關(guān)的試驗(yàn)樣本尚不多見。以兩塊100 mm 的厚板焊接為研究對(duì)象，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒馁|(zhì)為A105 鋼，采用埋弧焊，進(jìn)行多道焊接。采用試驗(yàn)測(cè)量和MSC.Marc 有限元模擬相結(jié)合的方法，對(duì)100 mm 特厚板多層多道焊的殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析研究，給出上表面橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力以及厚度方向殘余應(yīng)力的分布曲線。有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好，證明該有限元模型的合理性。特別地，厚度方向殘余應(yīng)力可以通過有限元模型計(jì)算得

4、出，解決了實(shí)際工程中厚板內(nèi)部應(yīng)力難得出的問題，為進(jìn)一步研究特厚板焊接殘余應(yīng)力提供參考依據(jù)。問題:焊接殘余應(yīng)力是引起裂紋、導(dǎo)致接頭強(qiáng)度和韌性下降的重要原因。為了了解焊接結(jié)構(gòu)中殘余應(yīng)力的大小和分布，多年來不少專家學(xué)者做了大量的試驗(yàn)和研究工作。1992年SHIM 和FENG 等開發(fā)了* 高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃資助項(xiàng)目(B08031)。20101229 收到初稿，20110606 收到修改稿厚板上多道焊接過程的殘余應(yīng)力沿厚度上分布的模型。1999 年澳大利亞的FREWIN 等。對(duì)激光脈沖焊接進(jìn)行了有限元分析，提出了激光脈沖定位焊的三維模型。2003 VEIGA 等研究了補(bǔ)焊中殘余應(yīng)力場(chǎng)的演變，200

5、4 年韓國(guó)的CHO 等采用了有限元模擬和試相結(jié)合的方法，對(duì)多道焊的殘余應(yīng)力場(chǎng)和焊后熱處理進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)對(duì)厚板焊接的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)也有研究，然而部分是局限于有限元數(shù)值模擬而沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，部分是通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來進(jìn)行研究。由于厚板焊接過程中的不確定性，對(duì)殘余應(yīng)力分布模型和分布擬合的研究仍然是此領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。鋼結(jié)構(gòu)厚板焊接往往采用多層多道焊和窄間隙剖口，焊后殘余應(yīng)力的分布一直以來受到國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者的關(guān)注。多層多道焊是許多單層熱循環(huán)的交替作用，相鄰焊層之間彼此具有熱處理作用，因此其最終溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)較單道焊復(fù)雜得多，因此具有很高的研究?jī)r(jià)值。另外，厚板焊接后厚度方向的殘余

6、應(yīng)力不能忽視，得出厚度方向應(yīng)力的分布規(guī)律也具有研究意義。方案：本文采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來進(jìn)行分析研究。測(cè)量方法上，使用X-350AL 型X射線應(yīng)力測(cè)定儀，對(duì)焊件上表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量設(shè)備 使用FL IR 公司S65型紅外熱像儀對(duì)焊接過程中形成的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。它具有測(cè)溫速度快、靈敏度高、對(duì)被測(cè)溫度場(chǎng)無(wú)干擾、熱惰性誤差小和能遠(yuǎn)距離測(cè)溫等優(yōu)點(diǎn), 適合于實(shí)時(shí)檢測(cè), 同時(shí)能克服接觸測(cè)量焊縫中心處溫度困難的不足。數(shù)值計(jì)算上，使用marc.mentat2007對(duì)焊接過程進(jìn)行模擬。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好，證明該有限元模型的有效性。從模型計(jì)算結(jié)果中給出沿厚度方向的殘余應(yīng)力的分布

7、曲線，發(fā)現(xiàn)其分布符合拋物線形式。對(duì)于厚度方向的應(yīng)力，提出了從計(jì)算模型中得出的方法，為進(jìn)一步研究厚板多層多道焊的應(yīng)力分布狀態(tài)提供參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)材料：本文試驗(yàn)所使用的材料是蘇州紐威集團(tuán)生產(chǎn)的A105 閥門用鋼，其材料化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1 和表2。焊接方法: 采用CO2焊, 焊絲直徑為1. 2 mm, 保護(hù)氣體為CO2, 流量為12 L /m in。焊接參數(shù)，見表3.焊接工藝：兩試件采用60%V型坡口,由于是多道焊，在模型的簡(jiǎn)化上不能 進(jìn)行對(duì)稱處理，所以建立的有限元模型是整個(gè)焊接構(gòu)件。在實(shí)際焊接過程中存在著焊縫填加金屬與基體之間、后填加的金屬與先填加的金屬之間的相互熔化題。有限元分析的理論基

8、礎(chǔ)及模型的建立題，這在有限元計(jì)算中實(shí)現(xiàn)比較困難，所以為了簡(jiǎn)化模型將焊縫的幾何模型近似處理為規(guī)則形狀?？紤]到余高的存在，將第三層焊縫的每一道的上表面處理為一個(gè)較小的弧面。殘余應(yīng)力測(cè)量本次試驗(yàn)選用的測(cè)量?jī)x器為X-350AL 型X 射線應(yīng)力測(cè)定儀，采用鉻靶的K 射線，衍射晶面選用(211)面，應(yīng)力常數(shù)K=-318 MPa/( ° )。測(cè)量時(shí)選用固定0 法，設(shè)定0° 和35° 兩個(gè)入射角0 ，衍射角2 設(shè)定為151° 162° ，2 掃描步距為0.1° ，掃描時(shí)為0.5 s。每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向的主應(yīng)力，即平行于焊縫方向的縱向應(yīng)力y 和垂直于

9、焊縫方向的橫向應(yīng)力x ，每個(gè)主應(yīng)力測(cè)量7 次，去掉最大值和最小值后，取其平均值作為該測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力Marc 有限元模型計(jì)算模型：采用Marc 前處理器Mentat 建立對(duì)接焊有限元模型，先用四邊形網(wǎng)格劃分器對(duì)焊縫橫截面進(jìn)行劃分，然后使用網(wǎng)格擴(kuò)展功能，將平面網(wǎng)格擴(kuò)展成為實(shí)體單元。擴(kuò)展時(shí)，設(shè)置y 向移動(dòng)距離為0.005 25 m，擴(kuò)展次數(shù)為32 次。實(shí)體網(wǎng)格單元選用8 節(jié)點(diǎn)的六面體降階積分單元，單元號(hào)為117。選用MSC.Marc 新增的焊接路徑和焊縫金屬填充功能模塊來模擬焊接過程。定義焊接路徑時(shí)為了防止焊接產(chǎn)生過大的變形，故選用交替變換的焊接路徑形式。焊縫金屬逐步填充選用單元生死方法，并且設(shè)置金屬

10、熔點(diǎn)溫度為1 200。通常Marc 計(jì)算焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，有兩種處理方法，一種是先進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析，得到焊接過程中焊件的溫度場(chǎng)分布，再將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為載荷施加在應(yīng)力分析的相同幾何模型上；另一種是直接進(jìn)行耦合分析，此時(shí)采用的單元具有溫度和位移兩種自由度，分析計(jì)算完成后同時(shí)得到溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布。本文對(duì)計(jì)算模型使用第二種方法，即熱力耦合分析法。網(wǎng)格劃分：焊接過程是一個(gè)不均勻加熱的過程, 在焊縫處溫度梯度變化很大。劃分網(wǎng)格時(shí)采用的是不均勻網(wǎng)格劃分, 在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格, 在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域, 溫度分布梯度變化相對(duì)較小, 細(xì)節(jié)可以忽略焊接熱源模型在計(jì)算焊接溫度場(chǎng)過程中焊接熱源模 式的

11、選擇是計(jì)算結(jié)果是否合理的重要因素，傳熱學(xué)中常用的熱源模式有Rosonthal的解析模式、高斯熱源、半球狀熱源、橢球形熱源、雙橢球形熱源等。焊接熱源選用MSC.Marc2007 焊接模塊中缺省的Goldark 雙橢球體熱源，非常適用于開剖口或大熔深的焊縫，在焊接時(shí)，因?yàn)闊嵩词请S著時(shí)間的變化在工件表面移動(dòng)的，所以溫度場(chǎng)是一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù)，其熱源分布形式如下前半部分橢球熱源表達(dá)式為qx,y,z,t=63Qf1abc1exp-3x2a2+y2b2+z-vtc12后半部分橢球熱源表達(dá)式為qx,y,z,t=63Qf2abc2exp-3x2a2+y2b2+z-vtc22式中， f1、 f2為熱流密度分布

12、系數(shù)，Q為輸入的熱功率，v 為焊接速度，a、b、c1、c2為定義橢球形狀的參數(shù)。參數(shù)設(shè)置取 f1 = f2 = 0.7，v = 3.5mm/s，a = 5mm，b = 3mm，c1 = c2 = 2 mm，111 道焊輸入熱功率Q = 5 080W，1220 道焊Q = 5 520 W，2142 道焊Q = 8100 W，第 43 道焊Q =11100W。每一道焊縫的劃分網(wǎng)格情況第一道 第二道第三道第四道第五道第六道計(jì)算工況：模擬計(jì)算過程分為44 個(gè)載荷工況，其中前43個(gè)是焊接工況，最后一個(gè)是冷卻工況。每個(gè)焊接工況焊接時(shí)間為48 s，分32 個(gè)載荷步，冷卻工況為100 s，分50 個(gè)載荷步。為

13、了兼顧計(jì)算效率和計(jì)算精度，劃分溫度區(qū)間并設(shè)置不同的增量控制準(zhǔn)則。在相變溫度附近，每個(gè)增量步始末溫度變化容許值設(shè)置得相對(duì)較小，以便更好地考慮相變潛熱的影響。為了避免集中熱源突然作用于模型時(shí)產(chǎn)生熱振蕩，在計(jì)算時(shí)采用集中質(zhì)量矩陣和集中熱源矩陣，同時(shí)激活大位移大應(yīng)變塑性分析選項(xiàng)。上表面殘余應(yīng)力計(jì)算值與測(cè)量值在結(jié)果顯示欄中分別選擇Comp 11 of stress(x方向主應(yīng)力)、Comp 22 of stress(y 方向主應(yīng)力)，代表著垂直焊縫方向的橫向主應(yīng)力x 和平行焊縫方向的縱向主應(yīng)力y 。選擇變量路徑顯示方法，可以使橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力沿指定路徑顯示。對(duì)照試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，提取出單元節(jié)

14、點(diǎn)上的應(yīng)力值，繪制成曲線，并與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)比。圖 6 為平行焊縫方向x = 0和x = 30處橫向殘余應(yīng)力的模擬值與測(cè)量值。由圖6 可以看出，數(shù)值模擬的結(jié)果能比較好地與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，平行焊縫方向中段處應(yīng)力高于兩端，且焊縫中心x = 0處中段處應(yīng)力在一定范圍內(nèi)變化很小，與實(shí)測(cè)結(jié)果有點(diǎn)差異。焊縫附近的區(qū)域殘余應(yīng)力都為拉應(yīng)力，與實(shí)際測(cè)量情況相符。計(jì)算結(jié)果還顯示，端部處應(yīng)力變化幅度要比中段處的大。圖 7 顯示的是垂直焊縫方向 y = 40和 y = 10上各測(cè)點(diǎn)橫向殘余應(yīng)力模擬值與測(cè)量值。由計(jì)算結(jié)果可以看出，垂直焊縫方向各線上橫向殘余應(yīng)力的模擬計(jì)算值以焊縫為中心對(duì)稱分布，應(yīng)力最大值不在焊縫中心處，

15、而是在偏離焊縫中心10 mm 的兩端，與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果相仿。應(yīng)力變化呈現(xiàn)出拉到壓的變化趨勢(shì)，焊縫附近左右兩端40 mm 的區(qū)域都為拉應(yīng)力，隨著離焊縫距離的增加，應(yīng)力逐漸變小并轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，在±70mm 處存在最大壓應(yīng)力，隨后壓應(yīng)力逐漸變小，并最終趨于0。圖8為平行焊縫方向x = 0和x = 50處縱向應(yīng)力模擬值與測(cè)量值。由圖8 可以看出，平行焊縫方向縱向應(yīng)力的模擬值與測(cè)量值吻合較好。同樣的，x = 0和x = 50處中段處應(yīng)力高于兩端，焊縫中心處縱向應(yīng)力都是拉應(yīng)力，x = 50上應(yīng)力模擬值基本都是壓應(yīng)力。另外，平行焊縫方向各線上縱向應(yīng)力在端部處均趨于0。圖 9 為垂直焊縫方向 y =

16、0和 y = 80上各測(cè)點(diǎn)縱向殘余應(yīng)力模擬值與測(cè)量值。由圖9 可以看出兩者吻合較好，垂直焊縫方向縱向殘余應(yīng)力模擬計(jì)算值也是以焊縫為中心對(duì)稱分布?？傮w上，應(yīng)力呈現(xiàn)拉壓拉的變化趨勢(shì)，靠近焊縫中心很窄的區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力區(qū)，隨著離焊縫距離的增加，應(yīng)力逐漸變?yōu)閴簯?yīng)力，直至最大壓應(yīng)力處又開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，在末端處，拉應(yīng)力最后趨于0。模擬計(jì)算的分布曲線在x = ±100處還存在一個(gè)拉應(yīng)力峰值，與實(shí)際測(cè)量的x =100處存在一個(gè)拉應(yīng)力峰值吻合。厚度方向殘余應(yīng)力在SCALAR 欄中選擇Comp 33 of stress(z 方向主應(yīng)力)，將會(huì)顯示出單元沿厚度方向的殘余應(yīng)力z 。選擇焊縫中心處 x =

17、0, y = 0； x = 0, y = 80；x = 0, y = 25三條沿厚度方向的直線，每隔 10 mm讀取單元節(jié)點(diǎn)上的應(yīng)力值，繪制成如圖10 所示的曲線。圖 10由圖10 可以看出，厚度方向的殘余應(yīng)力z 基本以壓應(yīng)力為主，且呈拋物線形式分布。焊縫處中間區(qū)域( y = 0， y = 25 )厚度方向的應(yīng)力 z 的分布曲線類似，在上表面與下表面處，均存在較小的拉應(yīng)力，隨著厚度的增加，應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。在厚度方向中間處應(yīng)力絕對(duì)值大于上下表面的應(yīng)力，在距上表面30 mm 處和距下表面20 mm 處出現(xiàn)兩個(gè)壓應(yīng)力峰值。焊縫處端部附近( y = 80 )厚度方向應(yīng)力z 與中間處略有不同，在距

18、上表面10 mm處存在一個(gè)拉應(yīng)力峰值，距下表面30 mm 處存在一個(gè)壓應(yīng)力峰值。另外可以看出，厚度方向的殘余應(yīng)力z 最大值均小于上表面處的橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力的最大值，焊縫端部處厚度方向的應(yīng)力小于焊縫中段處厚度方向的應(yīng)力，說明端部處的應(yīng)力釋放較中段處快。造成上述誤差的因素有三個(gè):第一是熱物理參數(shù)造成的誤差, 由于熱物理參數(shù)的測(cè)量比較困難, 公式中推導(dǎo)得出的是理論值, 和實(shí)際值有所差別,第二是因?yàn)楸疚脑谀M過程中, 為了簡(jiǎn)化模型, 做了一些簡(jiǎn)化假設(shè)造成誤差;第三是熱像儀的因素, 雖然紅外熱像儀精度高, 誤差小, 但是在焊接過程中, 電弧的弧光會(huì)對(duì)紅外熱像儀的測(cè)量精度產(chǎn)生影響。結(jié)論(1) 焊縫區(qū)為拉

19、應(yīng)力區(qū)，存在較大的拉應(yīng)力，最大殘余拉應(yīng)力出現(xiàn)在焊縫中心和靠近焊縫熔合線的地方。平行焊縫方向各線上中段處的殘余應(yīng)力高于兩端，垂直焊縫方向各線上橫向和縱向殘余應(yīng)力呈對(duì)稱分布，橫向應(yīng)力呈現(xiàn)拉壓的變化，縱向應(yīng)力呈現(xiàn)拉壓拉的變化。垂直焊縫方向各線上的縱向應(yīng)力的拉應(yīng)力區(qū)( ±15 mm)小于橫向應(yīng)力的拉應(yīng)力區(qū)( ±40mm)。(2) 沿厚度方向的殘余應(yīng)力z 基本為壓應(yīng)力，且呈拋物線的分布形式，在距上表面1030 mm 處存在一個(gè)應(yīng)力峰值，在距下表面2030 mm 處存在另一應(yīng)力峰值。z 的應(yīng)力最大值均小于上表面橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力的最大值。(3) 實(shí)測(cè)的焊接殘余應(yīng)力都沒有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)

20、度，說明特厚板對(duì)接焊接時(shí)，采用窄間隙U 形坡口和多層多道焊的焊接工藝可以明顯降低焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。(4) 從模擬計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析來看，兩者吻合較好，說明本文所建立的Marc 有限元模型是可行的。特別地，厚度方向殘余應(yīng)力z 可以通過有限元模型計(jì)算得出，解決了實(shí)際工程中厚板內(nèi)部應(yīng)力難得出的問題，為進(jìn)一步研究特厚板焊殘余應(yīng)力提供參考依據(jù)。實(shí)驗(yàn)體會(huì)：對(duì)于本次研究實(shí)驗(yàn)，雖然實(shí)驗(yàn)過程中有一定的誤差存在，但是根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和軟件模擬分析的結(jié)果來看，計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件較好的驗(yàn)證了真實(shí)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，并從不同角度對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析和研究，對(duì)進(jìn)一步的解決實(shí)驗(yàn)過程中的問題，以及可能研發(fā)的方向有著非同一般

21、的影響，對(duì)實(shí)際的生產(chǎn)有著重要意義。可以自信的說，在現(xiàn)實(shí)生活中不能解決的問題，我們可以借助計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件來解決，這對(duì)當(dāng)今快速發(fā)展的經(jīng)濟(jì)來說，是至關(guān)重要的，因?yàn)橥ㄟ^計(jì)算機(jī)仿真模擬軟件，可以較大程度的減少成本，而帶來相同的效益，這也是我們需要掌握計(jì)算機(jī)模擬仿真軟件的必要性。參 考 文 獻(xiàn)1. 李慧娟，黃振華， 張京燾.厚板多層多焊道的數(shù)值模擬分析宇航材料工藝, Aerospace Materials & Technology, 2007,10.2. 楊廣臣, 薛忠明, 張彥華.厚板多層多道焊角變形分析方法YANG Guang-chen, XUE Zhong-ming, ZHANG Yan

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