季 鵬 ，吳 冬 ，殷晨波，蔣國(guó)進(jìn)，戴晴華

(1.南京工業(yè)大學(xué) 車輛與工程機(jī)械研究所，江蘇 南京 210009；2.三一重機(jī)有限公司，江蘇 昆山 215300)

0 前言

焊接熱過(guò)程是影響焊接質(zhì)量的重要因素之一，它包括電弧物理、金屬相變、傳熱和力學(xué)等復(fù)雜過(guò)程，由于焊接的高度集中熱輸入，焊件在冷卻之后容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和變形，會(huì)影響焊件裝配工藝和使用性能。在此運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)鏟斗體進(jìn)行焊接過(guò)程的模擬，先進(jìn)行溫度場(chǎng)的分析，然后利用熱-力耦合方法，計(jì)算得到鏟斗應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。

1 計(jì)算流程

焊接有限元分析主要是溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析，運(yùn)用APDL編程首先分析焊接溫度場(chǎng)，然后將溫度場(chǎng)所得到的節(jié)點(diǎn)作為體載荷，加載到應(yīng)力場(chǎng)分析中，計(jì)算得到應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果，其整體計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 焊接過(guò)程模擬流程Fig.1 Welding process simulation flow chart

1.1 模型的建立

液壓挖掘機(jī)鏟斗體由三維繪圖軟件Pro／E建立，然后保存iges導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，其有限元模型及坡口形式如圖2和圖3所示。

圖2 鏟斗體幾何模型Fig.2 Geometric model of bucket body

圖3 焊縫坡口形式Fig.3 structure of weld groove

1.2 材料高溫性能參數(shù)

液壓挖掘機(jī)鏟斗體的材料為HG70，是一種高強(qiáng)度工程用鋼，抗拉強(qiáng)度為700 MPa，材料的熱力學(xué)性能和溫度有關(guān)，且呈現(xiàn)非線性，在ANSYS中，運(yùn)用mptemp和mpdata命令建立材料在溫度下的參數(shù)，高溫處的物理性能保持不變[1-2]。

1.3 焊接熱源的處理與施加

運(yùn)用內(nèi)生熱的加載方式來(lái)模擬焊接熱源，通過(guò)ANSYS中的生死單元技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接材料不斷填充焊縫的過(guò)程，先將焊縫有限元單元的剛度矩陣乘以一個(gè)很小的因子，近似為0，開(kāi)始進(jìn)行焊縫填充時(shí)，利用*DO-*ENDO命令激活相應(yīng)的單元，并對(duì)其加載[3]。

1.4 相變影響

焊接過(guò)程中存在固液相變問(wèn)題，則需考慮相變潛熱，在其變化過(guò)程中吸收和釋放熱量，當(dāng)材料溫度超過(guò)熔點(diǎn)或者相變點(diǎn)時(shí)，在ANSYS中根據(jù)材料隨溫度變化的焓來(lái)考慮相變潛熱[4]，即式中 H為熱焓；ρ為密度；c（T）為比熱函數(shù)；T為絕度溫度。

1.5 邊界條件

焊接過(guò)程的邊界條件包括溫度場(chǎng)分析的邊界條件和應(yīng)力應(yīng)變分析的邊界條件[5]。將試件上下表面及周圍邊界當(dāng)作換熱邊界條件處理，即

式中 n為邊界表面外法線方向；α為表面換熱系數(shù)，取常數(shù)為 10 W／(m2·K)；Ta為焊件溫度；T0為環(huán)境溫度，取室溫20℃。進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析時(shí)，在底板上和立板內(nèi)外側(cè)施加固定約束防止其移動(dòng)，起到夾具的作用。

1.6 求解計(jì)算

首先進(jìn)行溫度場(chǎng)求解，焊接溫度場(chǎng)的分析屬于典型的非線性瞬態(tài)傳導(dǎo)問(wèn)題，在ANSYS中，采用牛頓-拉普森法，進(jìn)行平衡迭代的同時(shí)修正剛度矩陣，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，如果不收斂則會(huì)自動(dòng)減小迭代步長(zhǎng)，直至達(dá)到收斂。然后采用etchg、tts命令將熱分析單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元，用ldread命令讀入，計(jì)算求解焊接應(yīng)力場(chǎng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場(chǎng)

焊接溫度場(chǎng)結(jié)果是應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果的基礎(chǔ)，同時(shí)溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律有著直接的影響，在后處理中，焊接溫度場(chǎng)在進(jìn)行蓋面焊時(shí)，最高溫度達(dá)到1662℃，如圖4所示。

圖4 溫度分布云圖Fig.4 The temperature distribution

2.2 應(yīng)力場(chǎng)

選取立板外側(cè)對(duì)焊接應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，圖5為從焊縫起點(diǎn)o開(kāi)始沿著焊縫方向路徑的縱向應(yīng)力分布規(guī)律，在前半部分表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力在焊接冷卻后，達(dá)486.2 MPa。沿著焊縫方向，拉應(yīng)力逐漸減小為零，在后半部分轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，最后又轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力，其中最大壓應(yīng)力達(dá)285.7 MPa。

圖5 縱向應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution

圖6為橫向應(yīng)力分布，規(guī)律和縱向應(yīng)力一致，在前半部分應(yīng)力值變化比較平緩且數(shù)值小于縱向應(yīng)力值，僅在焊縫彎曲部分拉應(yīng)力值有較大的變化，最大值為403.5 MPa，在后半部分，最大壓應(yīng)力值達(dá)201.6 MPa。

圖6 橫向應(yīng)力分布Fig.6 Lateral stress distribution

圖7 厚度方向應(yīng)力分布Fig.7 Thickness direction stress distribution

圖7為厚度方向應(yīng)力分布，在前半部應(yīng)力值呈現(xiàn)兩端達(dá)到極大值，分別為 225.6 MPa 和 334.8 MPa，中間走勢(shì)較為平緩且應(yīng)力值不大；在后半部分表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值達(dá)205.5 MPa。

3 結(jié)論

（1）基于ANSYS軟件平臺(tái)，采用內(nèi)生熱的加載方式來(lái)模擬焊接熱源，選取適當(dāng)?shù)臒徇吔鐥l件，運(yùn)用單元生死技術(shù)模擬焊縫的填充整個(gè)焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程。

（2）運(yùn)用APDL語(yǔ)言進(jìn)行參數(shù)化編程，得到了焊接應(yīng)力場(chǎng)分布，并對(duì)焊縫關(guān)鍵路徑進(jìn)行了應(yīng)力場(chǎng)分析。

（3）對(duì)鏟斗體關(guān)鍵焊縫進(jìn)行數(shù)值模擬，提前預(yù)測(cè)了結(jié)構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力，為提高試驗(yàn)時(shí)間和優(yōu)化工藝參數(shù)提供了參考價(jià)值。

參看文獻(xiàn)：

[1]Tso-Liang Teng，Chih-Cheng Lin.Effect of welding conditions on residual stresses due to butt weld[J].Int.J.Pres.Ves.Piping，1998，7(512)：857-864.

[2]Dong P.Residual stress analysis of a multi-pss Birth weld：3-D special shell versus axisymmetric models[J].Journal of pressure technology ASME，2001(5123)：207-213.

[3]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4]羅金華，梁曉燕.中厚板多道焊溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)三維數(shù)值模擬[J].電焊機(jī)，2006，36(8)：32-35.

[5]朱 潔，戴晴華，殷晨波，等.200噸大型液壓挖掘機(jī)動(dòng)臂體焊接有限元模擬[J].電焊機(jī)，2010，40(5)：184-186.