焊接過程模擬與焊接變形焊接Ansys應(yīng)力有限元分析

1、焊接過程模擬與焊接變形、焊接Ansys應(yīng)力有限元分析1.1 焊接變形與焊接應(yīng)力焊接時(shí)，加熱和冷卻循環(huán)總會導(dǎo)致一定程度的變形，焊接變形對尺寸穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能都有很大的影響，控制焊接變形在焊接加工中是一個關(guān)鍵的任務(wù)。在鋼結(jié)構(gòu)焊接中，焊接工藝會使構(gòu)件溫度場產(chǎn)生不均勻變化，從而在構(gòu)件中產(chǎn)生復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布。殘余應(yīng)力是一種自相平衡的力系，當(dāng)構(gòu)件承受荷載時(shí)，如受拉、受壓等，荷載引起的應(yīng)力將與截面殘余應(yīng)力相疊加，從而使構(gòu)件某些部位提前達(dá)到屈服強(qiáng)度，并發(fā)生塑性變形，故會嚴(yán)重降低構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度。對構(gòu)件進(jìn)行焊接，在焊件上產(chǎn)生局部高溫的不均勻溫度場，焊接中心處溫度可達(dá)1600，高溫區(qū)的鋼

2、材會發(fā)生較大程度的膨脹伸長，但受到相鄰鋼材的約束，從而在焊件內(nèi)引起較高的溫度應(yīng)力，并在焊接過程中，隨時(shí)間和溫度而不斷變化，稱其為焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力較高的部位，甚至將達(dá)到鋼材的屈服強(qiáng)度而發(fā)生塑性變形，因而鋼材冷卻后將有殘存于焊件內(nèi)的應(yīng)力，稱為焊接殘余應(yīng)力。并且在冷卻過程中，鋼材由于不能自由收縮，而受到拉伸，于是焊件中出現(xiàn)了一個與焊件加熱方向大致相反的內(nèi)應(yīng)力場。1.2 Ansys有限元焊接分析為通過對焊接過程的三維有限元模擬分析以及焊接后構(gòu)件變形及殘余應(yīng)力分布分析，為評估焊接對焊件的影響提供更加合理、有效、可靠的分析數(shù)據(jù)，并為焊接工藝提供一定的指導(dǎo)，為采用的焊接過程提供一定的分析依據(jù)，采用大型有限

3、元計(jì)算軟件Ansys作為分析工具對焊接過程與焊件的變形與殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析。ANSYS有2種方式來考慮熱分析與力學(xué)分析之間的耦合,即直接耦合和間接耦合。間接耦合法的處理思路為先進(jìn)行溫度場的模擬,然后將求出的結(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)中,計(jì)算焊接殘余應(yīng)力與變形。即：(1)使用熱分析的手段進(jìn)行熱分析，根據(jù)需要可采用瞬態(tài)分析與穩(wěn)態(tài)分析模型，此處為瞬態(tài)分析。(2)重新進(jìn)入前處理中,將熱分析單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元，設(shè)置結(jié)構(gòu)分析中材料屬性,如彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)等。(3)讀入熱分析的結(jié)點(diǎn)溫度作為結(jié)構(gòu)分析的荷載,設(shè)置參考溫度,結(jié)構(gòu)分析求解殘余應(yīng)力。而直接耦合法為采用Ansys提供的可以進(jìn)行復(fù)

4、合域（熱-力學(xué)分析）分析的單元類型，同時(shí)進(jìn)行熱分析與力學(xué)分析，從而獲得焊接后的變形與殘余應(yīng)力。以下分析過程分為厚板對接焊的焊接過程模擬與焊件的變形與殘余應(yīng)力分析、厚板的全熔透T形接頭焊縫的焊接過程模擬與焊件的變形與殘余應(yīng)力分析、箱型截面構(gòu)件的焊接變形與殘余應(yīng)力分析和K型節(jié)點(diǎn)的焊接變形與殘余應(yīng)力分析四個部分。其中第一、二、三部分采用Ansys中的實(shí)體單元，以直接耦合法對焊接過程進(jìn)行模擬，并分析了焊接后的變形與殘余應(yīng)力，第四部分則采用殼單元以間接耦合法對焊接變形與殘余應(yīng)力分析。采用的計(jì)算參數(shù)說明如下。鋼材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系采用雙線性隨動強(qiáng)化非線性關(guān)系，不同溫度下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖所示，其中，1）折點(diǎn)位置

5、為屈服應(yīng)力，常溫下取為345*E6 N/m2；2）曲線斜率為彈性模量E，常溫下取為2.06*E11 N/m2；3）達(dá)到屈服點(diǎn)后的彈性模量取值較小以模擬鋼材的塑性屈服。鋼材彈性模量采用隨溫度變化的非線性關(guān)系，如圖所示。未考慮以下參數(shù)隨溫度的變化，而將其取為常數(shù)：熱膨脹系數(shù)取為1.4*10-5 m/m*K熱容量取為520 J/(kg·K)熱傳導(dǎo)系數(shù)取為49.8 W/(m·k)泊松比為0.3密度為7850N/m3為方便起見，焊藥的熱力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能取與鋼材相同。1.3厚板對接焊的變形與殘余應(yīng)力分析變形圖:殘余應(yīng)力分布圖:縱向殘余應(yīng)力:橫向殘余應(yīng)力:1.4全熔透T形接頭焊的變形與

6、殘余應(yīng)力分析有限元網(wǎng)格劃分圖:變形圖:殘余應(yīng)力分布圖:橫向殘余應(yīng)力:1.5 箱型截面構(gòu)件的焊接變形與殘余應(yīng)力分析有限元網(wǎng)格劃分圖:變形圖:變形圖(部分):殘余應(yīng)力分布圖:殘余應(yīng)力分布圖(部分):1.6 K型節(jié)點(diǎn)的焊接變形與殘余應(yīng)力分析有限元網(wǎng)格劃分圖: 變形圖:殘余應(yīng)力分布圖:1.7 厚板對接焊縫焊接過程模擬示意圖施工過程模擬中每次生成一個焊縫單元，模擬方法為按照次序生成單元，將新生成單元所包含的節(jié)點(diǎn)的溫度定為1500度（持續(xù)時(shí)間為0.001s），將此作為初始條件進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)5s（模擬焊接一個焊縫單元所需時(shí)間，此段時(shí)間內(nèi)焊縫將根據(jù)給定條件傳熱給周圍單元降溫）后生成下一單元。依次生成全部單元完成整個焊接過程的模擬。1.8 全融透T形接頭焊接過程模擬示意圖1.10 小節(jié)經(jīng)過以上對厚板對接焊的焊接過程模擬與焊件的變形與殘余應(yīng)力分析、厚板的全熔透T形接頭焊縫的焊接過程模擬與焊件的變形與殘余應(yīng)力分析、箱型截面構(gòu)件的焊接變形與殘余應(yīng)力分析和K型節(jié)點(diǎn)的焊接變形與殘余應(yīng)力分析，可以看出：l 焊