焊缝收缩力的数值模拟研究

Electric Welding Machine 摘要：数值模拟焊接变形的方法主要有热弹塑性有限元法和固有应变法，目前又提出一种更为简便的 方法——焊缝收缩力法。阐述了焊缝收缩力的理论和计算方法，针对平板堆焊实例，通过热弹塑性有限 元法分析得出焊接线能量与焊缝收缩力的关系。 关键词：焊接变形；焊缝收缩力；热弹塑性有限元法；固有应变法；焊接线能量 中图分类号：TG404 文献标识码：A 文章编号：1001－2303(2009)03－0083－03 第 39卷 第 3期 2009年 3月 Vol．39 No．3 Mar．2009Electric Welding Machine 宋 渊，陈 鹏，潘 鑫 (西南交通大学 工程科学研究院，四川 成都 610031) Study on numerical simulation of welding shrinking force SONG Yuan，CHEN Peng，PAN Xin (Institute of Engineering and Science，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China) Abstract：There are two numerical simulation methods for welding distortion，including the thermal elastic-plastic method and inherent strain method．At present，a new and much convenient numerical analysis method was put forward，which is weld shrinkage volume method． This paper expatiated the theory and the calculation method of welding shrinking force．Taking the plate cladding welding as an example，thermal elastic-plastic FEM analyses were performed to get the relationship of weld heat input and welding shrinking force． Key words：welding deformations；welding shrinking force；thermal elastic-plastic finite element method；inherent strain method；weld heat input 收稿日期：2008－06－02；修回日期：2009－01－06 作者简介：宋 渊(1983—)，男，四川绵阳人，在读硕士，主要 从事焊接热过程数值模拟的研究。 0 前言 焊接变形影响结构设计的完整性、制造工艺的 合理性以及结构使用的可靠性。在生产过程中，有 效预测和控制焊接变形已成为一个亟待解决的难 题。多年来国内外专家、学者对预测和控制焊接变 形进行了大量研究，特别是随着计算机技术的不断 发展，利用数值模拟技术来预测焊接变形成为一种 有效的手段，如热弹塑性有限元法和固有应变法[1－2]。 热弹塑性有限元法通过分析整个焊接过程中每一 时刻工件中的温度场，再将所得温度数据输入热弹 塑性有限元分析程序，进行焊接变形和残余应力的 分析计算。此法可较为精确地模拟焊接变形，但对于 大型复杂结构的焊接变形模拟就无能为力了。这需 要超大容量的计算机和漫长的计算时间，在生产实 践中不现实且不经济。固有应变法着眼于焊后在焊 缝和近缝区存在的固有应变，将固有应变值作为初 始载荷施加于模型上，进行一次弹性有限元计算， 从而减少了计算工作量。但是在 ANSYS软件中，应 变值不能直接作为载荷赋予焊缝及其附近的单元。 本研究通过热弹塑性有限元法分析得到焊缝 收缩力与焊接线能量的关系，简化焊接过程的热瞬 时行为，视焊缝收缩力为焊接结构有限元模型的应 力载荷，直接施加到计算模型中，只需通过一次弹 性有限元计算即可预测结构的焊接变形。此方法更 为简便直观，因而在预测多长直焊缝的焊接结构件 时具有高效、快捷、简便等优点。 1 焊缝收缩力理论 焊接变形主要是因焊接过程中受热不均匀产 生的。焊接时焊缝及其附近金属受热膨胀，但在高温 下的自由变形受到周围较冷金属的阻碍，由此产生 了压缩塑性变形。该压缩塑性变形可视为构件受到 一个外加压力 P的作用而使构件缩短或弯曲，此假 想压力 P 就称为焊缝收缩力，其大小由塑性变形 区的大小决定。焊接线能量是影响塑性变形区大小 的主要因素，一般情况下它与焊接线能量成正比。 2 焊缝收缩力的计算 以板边堆焊为研究对象，通过试验实测焊后 焊缝收缩力的数值模拟研究 83· · Electric Welding Machine 的挠度来推算焊缝收缩力大小。同时以板边堆焊 为例，利用热弹塑性有限元法计算焊后弯曲变形， 分析得出焊缝收缩力大小，其与焊接线能量的 关系。 2．1 物理模型 研究对象如图 1所示，在长 L＝300 mm，宽 B＝ 60 mm，厚δ ＝6 mm的板上进行板边堆焊。材料为普 通低碳钢，其比热容、导热系数、密度和弹性模量随 温度变化，线膨胀系数 1．56e－5，与空气的换热系数 为 32 W／(m2·℃)，泊松比 0．29，焊接线能量 E分别为 468 J／mm、484 J／mm、500 J／mm、519 J／mm、538 J／mm、 570 J／mm。 2．2 有限元模型 用 ANSYS进行热弹塑性有限元分析。采用直接 法，选取耦合场单元 solid5，选用双线性等向强化 BISO 本构模型，采用 ANSYS的 APDL语言编写计算程 序[3－4]。给定随温度变化的材料性能数据如表 1所示。 为保证焊缝附近高温区域得到精确的温度分布，采 用了较小尺寸单元，焊板的有限元模型如图 2所示。 参数 材料弹性模量 E／Pa 材料比热容 C／J·kg－1·℃－1 材料热传导系数 K／W·m－1·℃－1 材料密度ρ ／kg·m－3 切变模量τ ／Pa 屈服强度σ s ／Pa 20 ℃ 200 ℃ 400 ℃ 600 ℃ 800 ℃ 1 500 ℃1 200 ℃1 000 ℃ 2．1e11 430 46 7 820 2．1e10 3．3e9 2．0e11 550 45 7 815 2．0e10 2．86e9 1．75e11 610 41 7 810 1．75e10 2．41e9 1．35e11 710 35 7 805 1．35e10 1．97e9 0．78e11 865 24 7 800 0．78e10 1．53e9 0．15e11 565 26．3 7 800 0．15e10 1．13e9 0．03e11 595 28．6 7 860 0．03e10 0．73e9 0．01e11 640 32 7 700 0．01e10 0．13e9 表 1 材料热物理参数 图 1 钢板几何尺寸 2．3 焊接热源的处理 采用“生死”单元方法模拟焊缝的形成过程和 焊接热源的移动。在 ANSYS中“杀死”有限元模型 中的单元并不是将该单元从模型中删除，只是将其 热传导矩阵乘以一个很小的因子(例如 10－6)，被“杀 死”单元的热载荷、质量和比热容设为零。同理，被 激活的单元也不将它加入到模型中，而是重新激活 它们，使其比热容、热传导系数和质量等恢复到原 始状态[5]。 在开始计算前，将焊缝中所有单元“杀死”，相 当于未焊接状态。在计算过程中，按焊接顺序将被 “杀死”的单元激活，用以模拟焊缝金属的填充作 用。给激活的单元施加生热率(HGEN)，热载荷作用 时间等于实际焊接时间。 2．4 计算结果与分析 由热弹塑性有限元法计算的各线能量所对应 的焊后变形如图 3～图 8所示。 热弹塑性有限元法的计算结果与试验实测结 果基本一致。线能量与挠度呈近似的线性关系，如图 9所示。而由材料力学可知，挠度与焊缝收缩力满足 图 3 线能量为 468 J／mm变形云图 图 4 线能量为 484 J／mm变形云图 图 2 有限元网格模型及约束条件 研究与设计 第 39卷 84· · Electric Welding Machine F＝ 8EIHL ·f， (1) 式中 F为焊缝收缩力(单位：N)；E为材料弹性模 量；I为钢板截面惯性矩；H为焊缝中心位置到钢板 中性面距离(单位：m)；L为焊缝长度(单位：m)；f为 挠度(单位：m)。 图 9 线能量与挠度的关系 因此线能量与焊缝收缩力呈近似的线性关系, 如图 10所示。根据热弹塑性有限元法的计算结果， 线能量与焊缝收缩力的关系可线性回归为 F＝K1·E＝147·E。 (2) 3 结论 (1)用单元“生死”技术，能有效模拟焊缝的形 成、熔敷金属的填充过程和焊接热载荷的输入。该 方法较构造焊接热流密度函数的方法简单，更适用 于复杂结构的焊接过程模拟。 (2)通过板边堆焊实例，测量焊后弯曲变形来推 算焊缝收缩力完全可行。 (3)根据热弹塑性有限元法的计算结果以及实 测结果验证，得出线能量与焊缝收缩力的关系：F＝K1· E＝147·E。 参考文献： [1] 崔晓芳．焊接变形的数值仿真及其在 SS7E机车焊接构架 中的应用[J]．机床与液压，2004(8)：60－62． [2] 汪建华，陆 皓，魏良武．固有应变有限元法预测焊接变形 理论及其应用[J]．焊接学报，2002(6)：36－40． [3] 博弈创作室．ANSYS9．0经典产品基础教程与实例详解 [M]．北京：中国水利水电出版社，2006． [4] 龚曙光，谢桂兰．ANSYS操作命令与参数化编程[M]．北京： 机械工业出版社，2004． [5] 陈家权，沈炜良，尹志新，等．基于单元生死的焊接温度场 模拟计算[J]．热加工工艺，2005(7)：69－70． 图 8 线能量为 570 J／mm变形云图 图 6 线能量为 519 J／mm变形云图 图 7 线能量为 538 J／mm变形云图 图 5 线能量为 500 J／mm变形云图 图 10 线能量与焊缝收缩力的关系 研究与设计 宋 渊等：焊缝收缩力的数值模拟研究 第 3期 85· ·