劉煥玉，張系斌，陶承偉 (長江大學城市建設(shè)學院，湖北 荊州 434023)

V形對接焊的有限元分析

劉煥玉，張系斌，陶承偉 (長江大學城市建設(shè)學院，湖北 荊州 434023)

在熱彈塑性力學的基礎(chǔ)上，運用大型通用有限元分析軟件ANSYS對V形對接焊進行三維實時動態(tài)模擬，得出了焊接溫度場和焊接殘余應(yīng)力場。模擬結(jié)果表明，在焊縫中心處出現(xiàn)殘余應(yīng)力的峰值，且表現(xiàn)為拉應(yīng)力。該方法對優(yōu)化焊接工藝具有指導作用。

ANSYS；V形對接焊；殘余應(yīng)力

焊接是一個涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學的復雜過程，通常是局部快速加熱到高溫, 然后快速冷卻。鋼材在高溫熱源的作用下產(chǎn)生塑形變形或相變，冷卻后在內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。焊接質(zhì)量直接關(guān)系到工程質(zhì)量的好壞、結(jié)構(gòu)的安全，因而焊接是工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點問題。V形對接焊是焊接中較為典型的一種，分析理論和計算機模擬技術(shù)已趨于成熟[1-3]。筆者以ANSYS軟件為工作平臺對V形對接焊進行數(shù)值模擬，分析焊接殘余應(yīng)力。

1 焊接溫度場和應(yīng)力場理論

1.1焊接溫度場

焊接溫度場分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導問題。對于均勻、各向同性的連續(xù)體介質(zhì), 非線性瞬態(tài)熱傳導問題的控制方程為[4]：

(1)

式中，Q(x,y,z,t)為求解域的內(nèi)熱源；λ為導熱系數(shù)；C為材料的比熱；ρ為材料密度；T為焊接溫度場的分布函數(shù)。

焊接熱源模型是實現(xiàn)焊接過程數(shù)值模擬的基本條件，焊接熱源模型的選取是否恰當，對模擬計算的準確性有很大影響。常用熱源模型有一維的Rosenthal熱源模型、二維的高斯熱源模型[5](面熱源)、三維的雙橢球熱源模型[6](體熱源)等。V形對接焊采用電弧焊，焊接熱源與高斯熱源近似，高斯熱源的表達式為：

(2)

求解焊接溫度場需要知道焊接構(gòu)件的初始溫度分布以及與周圍介質(zhì)間換熱的規(guī)律。母材和焊材獲得熱能后,熱的傳播以熱傳導為主。熱傳導定律(傅立葉定律)為：

(3)

式中，qs為單位面積上的外部輸入熱源；n為邊界外法線。

1.2焊接應(yīng)力場

一般情況下，焊接應(yīng)力場的求解是在焊接溫度場計算的基礎(chǔ)上采用熱彈塑性分析等方法來實現(xiàn)。焊接熱彈塑性分析包括4個基本關(guān)系:應(yīng)變-位移關(guān)系(相容性條件)；應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系(本構(gòu)關(guān)系)；平衡條件；邊界條件。在進行熱彈塑性分析時作如下假設(shè)，即材料的屈服行為服從Mises屈服準則，且塑性區(qū)內(nèi)的行為服從流變法則并顯示出應(yīng)變硬化[3]。

根據(jù)應(yīng)變疊加原理，變形體內(nèi)任意一點的應(yīng)變增量的表達式為：

(4)

2 ANSYS有限元分析

2.1模型參數(shù)

圖1 對接焊縫幾何模型簡圖

試件為2塊Q345B鋼板，尺寸為150mm×80mm×16mm。鋼板力學性能如下：抗拉強度σb=490～665MPa；屈服強度σs≥325MPa；伸長率δs≥21%；沖擊度為20。焊接方式為CO2氣保護焊，坡口角度為45°，分4道焊。具體焊接參數(shù)如下: 焊接電流為170～550A；焊接速度為5mm/s；焊絲為直徑4mm 的H10Mn2焊絲。構(gòu)件模型簡圖如圖1所示(左右2邊為鋼板，中間部分為焊縫，焊接方向沿Z方向從B點到J點移動)。

2.2ANSYS建模

圖2 施加邊界條件后的模型

對于堆焊，由于溫度場在厚度方向分布不均勻，需建立三維模型，建模的主要步驟為：①定義單元類型，選用SOLID70單元；②輸入材料的參數(shù)；③創(chuàng)建幾何模型；④劃分網(wǎng)格，焊縫處的網(wǎng)格長度為4mm，母材的網(wǎng)格長度為10mm；⑤施加溫度荷載及邊界條件。模型周邊邊界條件假定為：無對流和輻射，環(huán)境溫度為20℃。對面AGHI(見圖1)施加固定約束和20℃的溫度約束，對面CDLK(見圖1)施加20℃的溫度約束，如圖2所示。鋼板和焊材的參考溫度與初始溫度值相同，分別為20℃和1500℃。

2.3溫度場的計算

圖3 溫度分布圖

在計算溫度場時，應(yīng)首先定義一個很小的時間段進行初始溫度場的計算，從而得到焊縫區(qū)的溫度場分布，再利用APDL語言編制實現(xiàn)熱源載荷移動的子程序，即實現(xiàn)熱源的加載。運用ANSYS的“單元生死”技術(shù)求解在0～10s內(nèi)的焊件溫度場分布，進入后處理查看溫度分布云圖。筆者選擇0.001、5、5.001、10s 的4個時間點來觀察焊件的溫度場分布圖，如圖3所示。

從圖3中可以看出焊件的熱源區(qū)域以及溫度場分布。圖3(a)中熱源區(qū)域溫度為1500℃，除熱源區(qū)域外的焊件溫度達到842℃，表明焊縫達到熱源的溫度后，鋼板也迅速升溫。圖3(b)中冷卻區(qū)域的焊縫溫度下降到室溫，而除冷卻區(qū)域外的焊件溫度維持在原來水平，表明焊縫的溫度不穩(wěn)定，迅速冷卻。圖3(c)和圖3(d)中的溫度場分布形狀大致相同，只是熱源的位置改變。這表明溫度場已經(jīng)達到了準穩(wěn)態(tài)分布狀態(tài)，除熱源區(qū)域外的焊件溫度維持在842～1007℃之間，熱源區(qū)域隨著熱源的移動而移動。

2.4殘余應(yīng)力場的仿真結(jié)果

圖4 路徑分布圖

筆者主要研究殘余應(yīng)力在焊縫方向和垂直于焊縫方向上的分布。ANSYS的處理器POST1能夠?qū)⑷魏螖?shù)據(jù)映射到模型的任意一條路徑上，利用該方法選取分析的路徑，分別為沿著焊縫中心線方向(簡稱Z軸)和垂直于焊縫方向(簡稱Y軸)，如圖4所示。

平板正面縱向殘余應(yīng)力σz沿垂直于焊縫方向的分布情況如圖5所示。從圖5可以看出，圖5(a)與(b)的圖形基本一致，縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，首先沿著Y軸方向迅速增大，達到最大值后減小并形成一段近似穩(wěn)定的區(qū)域，然后迅速減小。在圖5(c)中殘余應(yīng)力的分布呈M形，沒有形成穩(wěn)定區(qū)域，達到最大值后迅速下降，然后又迅速的上升和下降。此外，圖5(d)中殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在T1路徑上，約151MPa，在T2、T3路徑上遞減。

圖5 平板正面縱向殘余應(yīng)力σz沿垂直焊縫方向的分布

圖6 平板正面橫向殘余應(yīng)力σz沿焊縫中心線方向(Z軸)的分布

圖6所示為橫向殘余應(yīng)力沿焊縫中心線方向(Z軸)的分布情況。由圖6可知，橫向殘余應(yīng)力在焊縫方向上呈拋物線分布，在起始端和終止端都形成壓應(yīng)力，然后逐漸變小轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，并且在0.03～0.06m之間達到最大值，約125MPa，這表明這一位置處縱向收縮引起的焊縫及其附近塑性區(qū)的應(yīng)力占主導地位，這與焊接殘余應(yīng)力分布的相關(guān)理論是一致的[7]。另外，起始端的應(yīng)力值明顯大于終止端，其原因可能是在焊接起始端焊接剛開始時溫度梯度變化大、計算子步的收斂情況不佳所造成的。

3 結(jié) 語

以熱彈塑性力學理論為基礎(chǔ)，運用ANSYS軟件進行焊接熱循環(huán)的三維數(shù)值模擬，得到了較為理想的模擬結(jié)果。研究表明，焊縫中心處出現(xiàn)殘余應(yīng)力的峰值，且表現(xiàn)為拉應(yīng)力。通過對比分析模擬結(jié)果與V形對接焊理論上殘余應(yīng)力的分布可知，ANSYS分析軟件能較為準確地反映殘余應(yīng)力的大小和分布規(guī)律。運用該方法能節(jié)約試驗時間和成本，為優(yōu)化焊接工藝提供參考。

[1]鹿安理,史清宇,趙海燕，等.厚板焊接過程溫度場、應(yīng)力場的三維有限元數(shù)值模擬[J].中國機械工程,2001,12(2):183-186.

[2]倪紅芳,凌祥,涂善東.多道焊三維殘余應(yīng)力有限元模擬[J].機械強度,2004,26(2):218-222.

[3]賈坤榮,劉軍,岳珠峰. 厚板焊接溫度場和殘余應(yīng)力場的數(shù)值模擬[J].熱加工工藝，2009,38(17)：103-104.

[4]孫文婷,萬正權(quán).對接焊殘余應(yīng)力的有限元分析[J].船舶力學，2007，11(1)：1-2.

[5]Pavelic V,Thanbakuchi R,Auyehara O.Experimental and computed temperature historips in gas tungsten arc welding of thin plates[J].Welding Journal Reseach Supplement,1969,48(7):295-305.

[6]John Goldak.A new finite model for welding heat source[J].Metallurgual Transactions,1984,15B(2):299-305.

[7]拉達伊 D.焊接熱效應(yīng)溫度場、殘余應(yīng)力、變形[M]. 熊第京譯.北京:機械工業(yè)出版社,1997.

[編輯] 李啟棟

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.02.036

TU375.2；TG404

A

1673-1409(2012)02-N109-04

2011-11-10

劉煥玉(1988-)男, 2009年大學畢業(yè), 碩士生，現(xiàn)主要從事結(jié)構(gòu)工程與鋼結(jié)構(gòu)方面的研究工作。