張繼祥 ，劉紫陽 ，王智祥 ，鐘 厲 ，徐 昱 ，王 帥

（1.重慶交通大學(xué) 機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 重慶市特種船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造工程技術(shù)研究中心，重慶 400074）

0 前言

焊接殘余應(yīng)力和變形會降低構(gòu)件的尺寸精度和構(gòu)件精度，增加結(jié)構(gòu)裝配中的矯形工作量，使結(jié)構(gòu)制造成本大幅增加[1-2]；焊接殘余應(yīng)力和變形也是導(dǎo)致焊接裂紋和強(qiáng)度降低的重要因素，嚴(yán)重影響焊接結(jié)構(gòu)的承載能力及使用壽命[3-4]。因此，預(yù)測焊接變形和應(yīng)力，并把預(yù)測結(jié)果作為改善工藝，對指導(dǎo)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)具有重要的理論和應(yīng)用價值。

目前，對于大型結(jié)構(gòu)的焊接過程的有限元模擬還有一定的困難，主要是由于結(jié)構(gòu)過大以及高度非線性的瞬態(tài)熱-力耦合、局部加熱熔化導(dǎo)致不均勻溫度場和應(yīng)力場分布需要在焊接區(qū)域細(xì)化網(wǎng)格以反映局部高溫和高應(yīng)力梯度，導(dǎo)致計(jì)算模型龐大[4-5]，焊接工藝的復(fù)雜性導(dǎo)致模型建立困難。目前研究的焦點(diǎn)和方向主要集中于簡化的熱源模型、并行計(jì)算和分布式并行處理、動態(tài)區(qū)域分解算法、新型單元開發(fā)技術(shù)、過渡網(wǎng)格、自適應(yīng)網(wǎng)格、混合單元和相似理論等[6]。

2001年徐軍就大型橋梁結(jié)構(gòu)焊接變形的問題，提出基于簡化模型的有限元計(jì)算方法，可以快速、準(zhǔn)確地計(jì)算出梁結(jié)構(gòu)在焊接過程中的變形[7]。2002年，清華大學(xué)的蔡志鵬等人簡化熱源模型，用串熱源模型代替高斯熱源進(jìn)行焊接應(yīng)力應(yīng)變分析[8]。2007年，畢艷敏對小型T型接頭順序焊接過程溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行了模擬[9]；鄭振太對大型厚壁件焊接數(shù)值模擬進(jìn)行了研究[4]。2008年，劉川采用動態(tài)子結(jié)構(gòu)方法來計(jì)算焊接殘余應(yīng)力和變形[10]。2010年，王軍等人采用殼單元對50 t/16 t橋式起重機(jī)主梁焊接進(jìn)行模擬[11]。2012年，胡建對Q345鋼T型接頭雙道MAG焊接工藝對變形和應(yīng)力影響進(jìn)行了研究[12]，王蓉對轉(zhuǎn)向架T型接頭一側(cè)焊縫焊接溫度場與應(yīng)力場進(jìn)行了數(shù)值模擬[13]。

以上研究大大提高了計(jì)算效率或者考慮了工藝對焊接接頭的影響，但是對于大型T型接頭同步焊接這樣的在考慮工藝方法的同時還要兼顧運(yùn)算效率的模擬模型研究還不是很多。本研究基于ANSYS有限元分析軟件，針對橋梁主體與人行道組成結(jié)構(gòu)的簡化模型，應(yīng)用APDL語言建立了大型工業(yè)構(gòu)件T型接頭雙側(cè)同時焊接模型，并應(yīng)用于某橋梁人行道焊接模擬，通過模擬得到溫度和應(yīng)力分布、焊接變形和殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，為同類鋼結(jié)構(gòu)雙道同時焊接工藝的數(shù)值模擬和實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 有限元模型的建立[14-18]

1.1 物理模型的建立

該橋梁主要由鋼結(jié)構(gòu)組成，中間主體部分是車道，兩側(cè)是人行道，在此主要研究人行道的焊接。橋梁整體是由鋼結(jié)構(gòu)單元按周期順序排列而成（見圖1），該結(jié)構(gòu)單元為對稱結(jié)構(gòu)，為了分析方便必須對模型進(jìn)行簡化，簡化模型如圖2所示。

簡化模型由翼板、頂板、部分橋梁主體結(jié)構(gòu)組成，焊接結(jié)構(gòu)主要組成部分的尺寸：翼板1100 mm×3000 mm×12 mm，頂板3000 mm×3000 mm×12 mm，墻板3000 mm×1700 mm×12 mm。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)單元

圖2 幾何簡化模型

1.2 網(wǎng)格劃分

溫度場分析時選擇solid70熱實(shí)體單元，應(yīng)力分析時選擇solid45結(jié)構(gòu)單元。為了提高計(jì)算效率，將研究對象劃分成焊縫區(qū)、熱影響區(qū)、過渡區(qū)和基體區(qū)域，并采用不同的網(wǎng)格密度，如圖3所示。焊縫及熱影響區(qū)的單元總體尺寸設(shè)置為5 mm，過渡區(qū)單元總體尺寸設(shè)置為20 mm，基體單元總體尺寸設(shè)置為80 mm。

圖3 有限元網(wǎng)格模型

1.3 材料物理參數(shù)

橋梁鋼結(jié)構(gòu)所用鋼板為Q345鋼，其物理參數(shù)如表1所示。

表1 Q345鋼物理參數(shù)

1.4 焊接工藝及參數(shù)

1.4.1 焊接參數(shù)

采用電弧焊焊接，焊接過程中選用焊接參數(shù)如表2所示。

表2 電弧焊接參數(shù)

1.4.2 焊接工藝

焊接順序:先同時焊接翼板與橋梁主體上墻板連接處的焊縫1和焊縫2，然后同時焊接頂板與翼板連接處的焊縫3和焊縫4。再焊接頂板與墻板之間的通過焊縫5，最后焊接焊縫6。所有的焊縫焊接方向都是由焊縫交匯處向外焊接，如圖2所示。在焊接開始前工件與周圍的環(huán)境溫度一致，T0=20℃。

1.5 邊界條件

1.5.1 散熱邊界條件

焊接開始后，工件向周圍環(huán)境進(jìn)行對流和輻射，主要考慮的是工件表面與周圍環(huán)境之間的熱對流，在所有外部表面施加與空氣熱對流載荷，即對模型添加散熱邊界條件。

1.5.2 約束邊界條件

選擇y=-3000 mm的面為對稱面，施加對稱約束。根據(jù)實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)焊接時的實(shí)際情況，在模型底部，選取z=1700 mm的面，約束z方向的自由度。選擇x=1500 mm的面，約束模型在x方向的自由度，如圖4所示。

1.6 移動熱源加載

熱源模型選用分段熱源，即模擬過程中將每條焊縫分成n段，每段長度為l，焊縫長度為L，則l=L/n，將熱源依次加載到焊縫每段l內(nèi)的節(jié)點(diǎn)上，如圖5所示。熱源的移動加載是通過*DO循環(huán)實(shí)現(xiàn)，焊接時，先用CMSEL選擇正在焊接的焊縫上的單元，再通過NSLE命令選取已被選擇的焊縫單元上所有的節(jié)點(diǎn)。在已被選擇的節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上通過NSEL命令選取焊縫單元縱向坐標(biāo)為i到i+50范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)（i的取值范圍是每條焊縫起點(diǎn)到終點(diǎn)沿焊縫縱向坐標(biāo)值，從起點(diǎn)坐標(biāo)開始取值）。再由選取的節(jié)點(diǎn)用命令ESLN選擇節(jié)點(diǎn)所在的單元。然后用EALIVE命令激活被選取的焊縫單元并加載熱源。在模擬雙道同時焊接時，在選擇節(jié)點(diǎn)和單元時，同時選擇兩條焊縫上的節(jié)點(diǎn)和單元，并激活加載熱源，這樣就能實(shí)現(xiàn)雙道同時焊接的模擬過程。

圖4 約束方向

圖5 熱源加載示意

1.7 模型的程序?qū)崿F(xiàn)

本研究是基于ANSYS采用熱力間接耦合的分析方法，即先分析得到溫度場結(jié)果，然后用ETCHG命令將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元，并用LDREAD命令讀取溫度分布結(jié)果進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，程序流程如圖6所示。

圖6 模擬分析程序流程框圖

2 模擬結(jié)果和分析

t=200 s，790 s，1080 s，1370 s時的溫度場分布如圖7a～圖7d所示，可以看到熱源沿焊縫移動，離熱源越近，溫度梯度越小，等溫線分布越密，在熱源周圍形成了一個相對穩(wěn)定的溫度分布區(qū)域，隨著熱源移動不斷變化，溫度主要分布在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)，過渡區(qū)和基體區(qū)溫度影響并不明顯。由圖7a、圖7b可知，翼板兩側(cè)焊縫的溫度分布相對于翼板呈對稱分布，這是由于焊接時在這兩條焊縫上同時添加熱源，兩個熱源溫度同時向附近區(qū)域傳導(dǎo)，形成了相對穩(wěn)定的對稱分布溫度場，模擬了雙側(cè)同步焊接溫度變化過程。焊接冷卻過程中t=1500 s，6800 s時的溫度變化如圖6e、圖6f所示。冷卻過程是從1370 s開始，1500 s時最高溫度降為217.869℃，6800 s時各部分溫度冷卻到常溫。冷卻過程中高溫區(qū)向低溫區(qū)擴(kuò)散，符合熱傳導(dǎo)規(guī)律，很好地模擬了冷卻過程。

圖7 焊接過程溫度分布變化情況

焊接完成后殘余應(yīng)力的分布情況如圖8所示，由圖8可知，殘余應(yīng)力主要集中于焊縫周圍和焊縫交匯處，這是由于在焊接過程中會產(chǎn)生大量的熱量，使得焊縫附近材料溫度急劇升高，隨著熱源移動已焊接區(qū)域慢慢冷卻形成較大的溫度梯度，從而附近材料就會產(chǎn)生應(yīng)力殘余，相反距離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域溫度梯度小，形成較小的殘余應(yīng)力甚至不產(chǎn)生應(yīng)力。冷卻后的殘余變形分布如圖9所示，最大殘余變形為1.751 mm，變形主要發(fā)生在頂板和翼板處。

圖8 冷卻后的殘余應(yīng)力分布

圖9 冷卻后的殘余變形分布

圖10 沿各焊縫的中心線縱向和橫向殘余應(yīng)力值曲線

焊接冷卻過后，各條焊縫中心線上各點(diǎn)的橫向和縱向的殘余應(yīng)力值如圖10所示。由圖10a、圖10b可知，焊縫1和焊縫2的中心各點(diǎn)橫向和縱向應(yīng)力值很接近，應(yīng)力值較小。焊縫1和焊縫2中線上縱向和橫向的殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，并且各點(diǎn)的應(yīng)力值很接近，這是由于焊縫1和焊縫2是同時焊接，在焊接過程中熱量輸入一樣，各點(diǎn)溫度變化形成的溫度梯度一致，使得兩側(cè)應(yīng)力分布呈現(xiàn)對稱分布。圖10c、圖10d為焊縫3和焊縫4中心各點(diǎn)處縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力值，由圖10c、圖10d可知，縱向應(yīng)力明顯大于橫向應(yīng)力，且縱向最大應(yīng)力值較大。焊縫3和焊縫4也是同時焊接，兩條焊縫中心線縱向和橫向應(yīng)力分布規(guī)律也趨于一致。圖10e、圖10f是焊縫5和焊縫6中心線上縱向和橫向應(yīng)力分布曲線，可以看到縱向應(yīng)力大于橫向應(yīng)力，焊縫5和焊縫6的應(yīng)力分布趨勢相近，焊縫5橫向應(yīng)力總體大于焊縫6的橫向應(yīng)力，縱向應(yīng)力相差不大區(qū)別發(fā)生在焊縫尾部。總體比較圖中曲線，焊縫3～焊縫6中心縱向應(yīng)力明顯高于焊縫1和焊縫2中心縱向應(yīng)力，造成原因是在焊接過程中焊接先后順序不同，隨著焊接焊縫數(shù)增多引起變形累積，焊接順序排在后面的焊縫就會有更大的應(yīng)力殘余。各條焊縫在焊縫方向的縱向應(yīng)力中部很長一段拉應(yīng)力而且很大，而橫向應(yīng)力則基本先是壓應(yīng)力，再為拉應(yīng)力，而后又轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。這是由于在焊接過程中，焊縫區(qū)溫度高于周圍其他區(qū)域，焊縫區(qū)材料受熱膨脹，受到周圍區(qū)域的擠壓，就會形成熱應(yīng)力，受熱區(qū)域溫度升高后屈服極限下降，熱應(yīng)力可部分超過該屈服極限；造成焊縫區(qū)形成了塑性的熱壓縮；冷卻后，比周圍區(qū)域相對縮短。因此，這個區(qū)域就呈現(xiàn)拉伸殘余應(yīng)力，周圍區(qū)域則承受壓縮殘余應(yīng)力[14-18]。

3 結(jié)論

（1）應(yīng)用APDL語言建立了大型工業(yè)構(gòu)件T型接頭雙側(cè)同時焊接模型，并應(yīng)用于某橋梁鋼結(jié)構(gòu)人行道焊接模擬，很好地模擬了焊接過程中溫度分布變化結(jié)果，得到了焊后殘余應(yīng)力及殘余變形結(jié)果。

（2）從冷卻后殘余應(yīng)力和殘余變形分布可以看到，殘余應(yīng)力主要集中于焊縫區(qū)和焊縫交匯處，形成了較大的殘余應(yīng)力，殘余變形主要集中在翼板和蓋板邊緣。

（3）焊縫的對稱分布和同時焊接可以減小焊縫殘余分布的不均勻，減小應(yīng)力集中。多焊縫焊接結(jié)構(gòu)，焊接順序在后面的焊縫更容易出現(xiàn)較大的應(yīng)力殘余。

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