平板對接溫度場及應(yīng)力-應(yīng)變場模擬

1、-1-平板對接溫度場及應(yīng)力-應(yīng)變場模擬王龍北京工業(yè)大學機械工程專業(yè)，北京（100022）E-mail: 摘 要：本文是通過使用計算機模擬技術(shù)，用ANSYS 軟件模擬平板對接焊接工藝的溫度場，并用間接求解的方法計算出焊接殘余應(yīng)力場。作者對比了面部加載高斯熱源和內(nèi)部熱生成這兩種方法，總結(jié)兩種熱源的優(yōu)缺點，并將兩者結(jié)合起來作為一種復合熱源。復合熱源的計算結(jié)果與傳統(tǒng)的分析結(jié)果和理論相吻合。關(guān)鍵詞：計算機模擬；溫度場；殘余應(yīng)力場；復合熱源1 引言焊接是一個涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學的復雜過程，由于高度集中的瞬時熱輸入，在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生相當大的殘余應(yīng)力(焊接殘余應(yīng)力)和變形(焊接殘余變形、焊

2、接收縮、焊接翹曲)，而這是影響焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要問題之一，焊接變形的存在不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過程，而且還影響焊接結(jié)構(gòu)的使用性能。焊接應(yīng)力和變形不但可能引起熱裂紋、冷裂紋、脆性斷裂等工藝缺陷，而且在一定條件下將影響結(jié)構(gòu)的承載能力，如強度，剛度和受壓穩(wěn)定性。除此以外還將影響到結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計和施工時充分考慮焊接應(yīng)力和變形這一特點是十分重要的12。隨著大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和高新技術(shù)的發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)正朝著大型化、復雜化、高容量、高參數(shù)方向發(fā)展，其復雜程度越大，工作條件越苛刻，造成焊接事故也越頻繁，危害性也越大，所以提高和保證焊接質(zhì)量已經(jīng)成為當前焊接中的關(guān)鍵問題。焊接過程中局

3、部集中的熱輸入，使焊件形成非常不均勻、不穩(wěn)定溫度場。溫度場不僅直接通過熱應(yīng)變，而且還間接通過顯微組織變化引起相變應(yīng)變決定焊接殘余應(yīng)力。因此，溫度場的分析是焊接應(yīng)力和變形分析前提3。本文就是利用大型通用的有限元軟件ANSYS 對焊接溫度場、應(yīng)力場和變形進行了計算機的三維實時動態(tài)數(shù)值模擬，通過先計算焊接溫度場，再把溫度場結(jié)果作為應(yīng)力和變形計算時的載荷，從而得到任何時刻、任何點的焊接應(yīng)力、變形的具體計算數(shù)值，這無論是對焊接設(shè)計還是工藝都很有價值。2 平板對接溫度場模擬2.1 材料物理性能參數(shù)以及單元類型的選擇由于是探討性的模擬，所以模型假設(shè)為100mm×50mm×6mm，電弧中心

4、沿Z 方向移動。并用以下命令流依次定義導熱系數(shù)，比熱容以及密度用于進行溫度場模擬。mp,kxx,1,66.6mp,c,1,460mp,dens,1,7800單元類型的選擇原則為 1.必須具備單元生死功能 2.具有耦合功能，可以進行熱-應(yīng)力耦合分析 3.必須為三維單元 4.焊縫處單元可以進行規(guī)則劃分。根據(jù)以上原則，選用ANSYS單元庫中的熱分析單元，二維模型用四節(jié)點四邊形單元PLANE55，三維模型用八節(jié)點六面體單元SOLID7O。SOLID7O 是一個具有熱量傳導能力的三維單元。該單元有八個節(jié)點，每個節(jié)點具有一-2-個自由度溫度。該單元用于三維的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析，還可從一個恒定的速度域補償大量

5、熱流輸入，形狀如圖2-1 所示。圖 2-1 SOLID7O 單元示意圖2.2 建模與劃分網(wǎng)格在比較面載高斯熱源和內(nèi)部熱生成的時候，所建立的模型如圖4-2。如圖4-2 所示，筆者總共劃分了5 個體，中間的體用于模擬焊縫，與焊縫相鄰的兩個體用于模擬焊接熱影響區(qū)，邊上的兩個體用于模擬母材。并合理的進行映射網(wǎng)格劃分，尺寸分配為焊縫為4，焊接熱影響區(qū)為2，母材為1。劃分結(jié)果如圖2-2 所示。圖2-2 建模示意圖 圖2-3 劃分網(wǎng)格示意圖2.3 溫度場模擬結(jié)果以下就是通過在模型上分別施加面載高斯熱源（左圖）和內(nèi)部熱生成（右圖）的結(jié)果。通過循環(huán)語句用于實現(xiàn)熱源移動。圖 2-4 焊接前期溫度場圖 2-5 焊接

6、中期溫度場圖 2-6 焊接后期溫度場圖 2-7 使用高斯熱源模擬焊接 圖2-8 用內(nèi)部熱生成的方法模擬中期溫度場的熱源切片 焊接中期溫度場的熱源切片從上列圖可以看出兩種熱源已經(jīng)按照筆者的設(shè)計進行了移動。而且不難看出使用面載高斯熱源加載的方法得到的溫度場特點是面部的熱源區(qū)溫度場模擬的較好，但是溫度在焊接過-4-程中擴散的并不是太明顯。此外，高斯熱源由于是面加載，所以由高斯熱源模擬出來的溫度場的一大缺點是沿厚度方向的溫度場不是很符合真實的焊接時的溫度場分布。內(nèi)部熱生成加載后的溫度場，雖然在沿厚度方向的溫度場比高斯熱源更加貼近真實的焊接。但是，用內(nèi)部熱生成加載的方法獲得溫度場在焊縫表面分部的熱源中心

7、區(qū)沒有高斯熱源模擬出來的效果好。并且在焊接后的冷卻過程中，這兩種方法模擬出的結(jié)果也不盡相同。如下圖所示：面載高斯熱源（左圖）和內(nèi)部熱生成（右圖）。圖 2-9 焊接溫度場冷卻前期圖 2-10 焊接溫度場冷卻結(jié)束從冷卻溫度云圖可以發(fā)現(xiàn)在溫度的分布上用高斯熱源模擬能比用內(nèi)部熱生成模擬更具有優(yōu)勢。但總體上都是符合焊接溫度。總而言之，這兩種方法都可以用于進行焊接模擬，但是適用的焊接工藝方法不一樣。對于面載高斯熱源加載，適用于非熔滴生熱的焊接方法。對于內(nèi)部熱生成加載方法適用于熔滴生熱的焊接方法。問題在于用于面載高斯熱源的方法加載熱不容易得到合適的熔深，而用于內(nèi)部熱生成的方法加載雖然總體比面載高斯熱源較好，

8、但是忽略了電弧傳熱。筆者結(jié)合以上的種種討論，通過修改模型以及網(wǎng)格劃分。由于面載高斯熱源是面熱載荷，而內(nèi)部熱生成是體熱載荷。兩者如果建立在同一個體上會出現(xiàn)熱源相互刪除的問題。所以建模如下圖2-11 所示，將內(nèi)部熱生成的體和面載高斯熱源的體格開。面載高斯熱源的體的厚度為模型厚度的1/10，兩個體近似的接近同一個體。并進行映射網(wǎng)格劃分如圖2-12。-5-圖 2-11 建模示意圖 圖2-12 網(wǎng)格劃分這種面載高斯熱源和內(nèi)部熱生成的方法下面都將稱為高斯-熱生成復合熱源。下列各圖就是用復合熱源模擬出來的溫度場以及節(jié)點熱循環(huán)曲線。圖 2-13 熱源移動 圖2-14 焊接中期溫度場熱源處切片圖 2-15 焊接

9、熱循環(huán)曲線圖2-16 焊接冷卻終了溫度場云圖從上面可以看出復合場集合了面載高斯熱源和內(nèi)部熱生成的優(yōu)點。溫度場云圖中可以看到熱源中心的溫度場和面載高斯熱源的形狀一樣，而且由于內(nèi)部是用的熱生成作為熱源，很好的模擬出熔滴發(fā)熱的情況。所以在厚度方向比高斯熱源的溫度場更為合理。由于加上了面載高斯熱源，這樣一來在內(nèi)部熱生成的基礎(chǔ)上又考慮到了電弧傳熱。所以筆者建議使用這種復合熱源的加載方法。并且通過調(diào)整面載高斯熱源和內(nèi)部熱生成的熱輸入的比例來模擬更多的焊接工藝情況。由于溫度場是應(yīng)力變形計算的前提，所以以上研究就顯得尤為重要了。-6-3 平板對接焊接殘余應(yīng)力-應(yīng)變場模擬3.1 加載求解緊接著復合熱源模擬的溫度

10、場計算，通過語句etchg, tts 改變單元屬性進入結(jié)構(gòu)運算，設(shè)定好材料的彈性模量，泊松比，線膨脹系數(shù)。通過下面的命令流，將溫度場的結(jié)果作為載荷，以載荷步為單位，使用循環(huán)語句加載到求解結(jié)構(gòu)的模型中。計算熱應(yīng)力時所施加的載荷就是溫度場計算的結(jié)果，所以只需讀入各節(jié)點的溫度值即可，這里將時間步長設(shè)為1，每次讀入溫度場分析一個載荷步的結(jié)果，以便于溫度載荷的讀入和提高計算精度。焊接屬于大應(yīng)變問題，設(shè)定分析選項時，須將NLGEOM 置為ON。此外，采用FullNewton-Raphson(牛頓拉普森)方法進行平衡迭代并激活自適應(yīng)下降功能、打開自動時間步長和時間步長預(yù)測以加快計算收斂。ANSYS 中提供了

11、5 種求解器，選用哪種求解器可依據(jù)求解的自由度數(shù)量、所花費的時間和要求的內(nèi)存而定。對于焊接一般采用程序自動選擇求解器的方法可得到比較好的計算效果。3.2 應(yīng)力和變形計算結(jié)果應(yīng)力場結(jié)果如下列圖所示：圖 3-1 橫向殘余應(yīng)力分布云圖圖3-2 縱向殘余應(yīng)力分布云圖由上列圖可知，最大應(yīng)力均為拉應(yīng)力，而且都位于焊縫附近，縱向拉應(yīng)力最高可達273Mpa，接近材料的抗拉強度，這也是焊接件焊縫中心容易出現(xiàn)裂紋等缺陷的原因之一。縱向最大壓應(yīng)力位于熱源附近（這與熱影響區(qū)金屬迅速受熱膨脹對附近區(qū)域金屬擠壓產(chǎn)生壓應(yīng)力的原理相符）。最后再查看用復合熱源模擬出的平板對接的變形結(jié)果：-7-圖 3-3 平板對接應(yīng)力變形從圖

12、3-3 看出焊接殘余應(yīng)力使得平板上翹，發(fā)生角變形，和實際情況也是相符合的。4 總結(jié)以平板開V 型坡口對接焊接為例，對比面載高斯熱源和內(nèi)部熱生成方法模擬溫度場的優(yōu)缺點。之后，筆者提出一種高斯-熱生成復合熱源，用于更好的模擬焊接溫度場。并用筆者認為合理的溫度場，采用熱結(jié)構(gòu)間接耦合法計算，得到焊后的殘余應(yīng)力分布以及焊后變形。應(yīng)力-變形結(jié)果再次驗證了復合熱源的正確性。并整理出其求解算法的命令流?？芍附舆^程中的溫度場呈準穩(wěn)態(tài)分布。焊接過程中焊件上各點的應(yīng)力變化非常復雜，所研究的各點即使溫度趨于穩(wěn)定，但應(yīng)力仍要產(chǎn)生一定的變化。這說明變形協(xié)調(diào)原則對應(yīng)力分布有很大的影響。隨著時間的推移，當焊件逐漸冷卻時，

13、各點的應(yīng)力趨于某一穩(wěn)定值。焊縫區(qū)域的縱向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，橫向殘余應(yīng)力有拉有壓。焊后焊件有一定的角變形，以上結(jié)論與傳統(tǒng)的分析結(jié)果相吻合。參考文獻1田錫唐焊接結(jié)構(gòu)M.北京：機械工業(yè)出版社，1981.2拉達伊，熊第京.焊接熱效應(yīng)溫度場、殘余應(yīng)力、變形穂M.北京：機械工業(yè)出版社，1997.3陳丙森計算機輔助焊接技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，1999.Simulation of welding plate's temperature field and stress-strain fieldWang LongCollege of Mechanical Engineering and Appli

14、ed Electronics Technology, Beijing University ofTechnology, Beijing (100022)AbstractThrough the use of computer simulation technology, We simulate welding plate's temperature field andstress-strain field by using ANSYS simulation software. Authors imposed heat by two ways which arecalled Gauss and Internal heat. Summing up the advantages and disadvantages of t