張海錠，姚小兵，桂 桂（中國測試技術(shù)研究院聲學研究所，成都 610051）

多參數(shù)環(huán)境試驗艙焊接殘余應力的有限元計算及分析

張海錠，姚小兵，桂 桂
（中國測試技術(shù)研究院聲學研究所，成都 610051）

在鋼結(jié)構(gòu)艙體制造中，焊接是最主要的加工手段。焊接變形一方面導致結(jié)構(gòu)變異，尺寸精度和承載能力下降，另一方面，在溫度大幅度周期性變化過程中，應力集中等因素引起的早期結(jié)構(gòu)失效是工程實踐中的重大隱患。采用有限元方法，分析了一種步入式多參數(shù)環(huán)境試驗艙焊接結(jié)構(gòu)在焊接過程中的瞬態(tài)三維應力和形變，同時給出了在-70 ℃工況下的三維應力與變形分布，具有一定的參考意義。

鋼結(jié)構(gòu)；有限元；焊接殘余應力；應變

引言

本文所述環(huán)境試驗艙，以仿真我國國土表面氣候要素為目的，是一種能夠綜合模擬海拔10 000 m內(nèi)的溫度、濕度、氣壓、太陽輻射、淋雨、霧等氣候要素，仿真典型自然環(huán)境條件、極端環(huán)境條件及誘發(fā)環(huán)境條件的多參數(shù)仿真環(huán)境試驗艙，其設(shè)計溫度范圍為-70～150 ℃、壓力范圍為26 kPa～大氣壓。在此技術(shù)參數(shù)要求下，艙體需有能力在非常溫條件下承載交變應力，即要求鋼結(jié)構(gòu)既達到強度要求，又能在工作狀態(tài)下保持穩(wěn)定不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計采用立方體復合鋼結(jié)構(gòu)，分為兩層，分別使用8號槽鋼和16號槽鋼焊接成網(wǎng)狀支撐，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多參數(shù)環(huán)境試驗艙模型

艙體鋼結(jié)構(gòu)大規(guī)模使用焊接連接，為保證其安全性，需對焊接質(zhì)量加以研究。眾多試驗表明，焊接殘余應力會加速焊接結(jié)構(gòu)的應力腐蝕和疲勞破壞，最終引起脆性斷裂，最嚴重的后果是造成結(jié)構(gòu)倒塌。因此，即使外部壓力遠遠未達到材料許用應力，若焊接殘余應力過大結(jié)構(gòu)仍然存在斷裂風險。同時，由于低溫工況下三向殘余應力的影響會導致結(jié)構(gòu)塑性進一步降低，加劇焊接結(jié)構(gòu)脆斷的可能。

焊縫形成過程復雜多樣，其內(nèi)部應力分布狀況難以獲得。以往對焊縫性能的試驗研究，通常采用破壞性的手段進行，耗時較長也無法得到詳細的三維殘余應力分布，且對結(jié)構(gòu)有無法挽回的影響。因此，本文引入子結(jié)構(gòu)有限元方法，對焊接過程中及工況下焊接殘余應力進行模擬計算，驗證極端工況下焊接結(jié)構(gòu)仍然可靠。

1 子結(jié)構(gòu)有限元方法

焊接過程可以看成局部非線性小區(qū)域在大部分線性區(qū)域內(nèi)隨熱源移動而移動的問題，以往均將其作為彈塑性非線性處理，而非線性結(jié)算非常耗時。針對此種情況，本文引入子結(jié)構(gòu)分析方法，論述了基于該方法的數(shù)值分析及其在實際工程中的應用。

焊接有限元數(shù)值計算中的子結(jié)構(gòu)方法由劉川等提出，其基本思想是：將窄小焊縫和熱影響區(qū)與非焊接區(qū)分開處理，計算時將非焊接區(qū)作為線性子結(jié)構(gòu)隨熱源移動，成功實現(xiàn)了焊接應力變形的高效率有限元計算[1]。子結(jié)構(gòu)方法常被用于大型復雜結(jié)構(gòu)的數(shù)值計算中，其主要思路是將多個關(guān)系復雜的基本單元組合成為新的結(jié)構(gòu)單元。實際應用中，將復雜結(jié)構(gòu)劃分為若干個子結(jié)構(gòu)，確定子結(jié)構(gòu)的剛度特性后裝配成整體結(jié)構(gòu)，從而獲得整體結(jié)構(gòu)的剛度特性。其主要步驟如圖2。

子結(jié)構(gòu)將問題分塊進行分析，節(jié)約存儲空間和計算時間，大大提高了計算效率。通過子結(jié)構(gòu)方法將焊接大部分的線性區(qū)域分解出來作為子結(jié)構(gòu)處理，并且隨熱源的移動，線性子結(jié)構(gòu)也不斷變化，這種不斷變化的子結(jié)構(gòu)稱為動態(tài)子結(jié)構(gòu)。本文將動態(tài)子結(jié)構(gòu)技術(shù)應用在焊接結(jié)構(gòu)的三維建模中，進行焊接應力變形的高效有限元計算。

2 焊接過程分析

多參數(shù)試驗艙的外結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀焊接結(jié)構(gòu)，槽鋼連接方式如圖1所示，材料為Q345鋼，材料密度為7 874 kg/ m3，傳熱系數(shù)、比熱容等隨溫度變化見表1[2]。

圖2 子結(jié)構(gòu)運算步驟

表1 材料不同溫度時性能變化

有限元模型采用四面體網(wǎng)格自由劃分的方式如圖3所示。其中，焊縫處做了網(wǎng)格細化，網(wǎng)格剖分細度均勻，有利于控制焊縫單元相關(guān)節(jié)點的選取和熱源加載操作；母材全部采用四面體劃分方式，距離焊縫較近區(qū)域網(wǎng)格較密，遠離焊縫區(qū)域逐步變疏。整個模型網(wǎng)格劃分合理，滿足計算要求。計算基于以下假設(shè)[3]：

1）假設(shè)工件平整光順，符合尺寸要求

2）假設(shè)環(huán)境溫度恒定

3）假設(shè)焊接設(shè)備輸出功率恒定

4）假設(shè)焊接過程穩(wěn)定，不存在斷續(xù)操作

5）不計算焊接熔池流場及電磁攪拌作用

6）焊接前不進行預熱

溫度場模擬是焊接過程有限元計算的主要條件，對焊接而言，進行溫度場模擬首先要選擇合適的熱源模型[4]。焊接的過程是動態(tài)的，因此需通過循環(huán)載荷不斷移動來加載溫度載荷，此過程通過以下步驟來實現(xiàn)：將焊縫分為N段，逐段進行計算，每一段的運算結(jié)果作為下一段的初始條件（運算時需消除上段生熱率）。重復該步驟，即可得到焊接的瞬間溫度場。

為了更好反映平面受移動熱源作用的幾個變化階段，選擇使用考慮熱源移動效應的改進均勻體熱源模型，其二維表達式[5]為：

式中，q為熱生成率；U為電壓；I為電流；η為熱源效率；d為高斯參數(shù)；t為熱源加熱時間；tc為熱源中心移至研究面的時間，s為延遲因子。

熱源建立在ANSYS經(jīng)典環(huán)境中，通過參數(shù)化語言實現(xiàn)。其主要參數(shù)為電弧作用半徑r=3.25 mm，電弧效率為0.7，熱源移動距離為3 mm，熱源作用停留時間為0.25 s，使用反復加載對流的方式實現(xiàn)熱流密度和對流的同時加載。

非線性求解的部分代碼如下：

trnopt,full !完全瞬態(tài)積分法

pred,on !打開預測校正

solcontrol,on !自動控制

nropt,full,,on !完全牛頓-拉普森方法

cutcontrol,plslimit,10,!設(shè)置在一個非線性求解中時間步的減少

lnsrch,on !線性搜索

autots,on !自動步長

tintp,,,,1,, !向后積分

timint,on !瞬態(tài)效果

tref,20 !參考溫度

kbc,0 !連續(xù)性載荷

neqit,50 !規(guī)定每個子步中最大迭代次數(shù),默認為25

求解后，可以得到焊接瞬態(tài)溫度場分布如圖4。

圖3 建模及單元格劃分

圖4 不同時刻瞬態(tài)溫度場分布

結(jié)果可見：①當焊縫冷卻10 min時，焊縫影響區(qū)最高溫度141.2 ℃，尚未接近常溫，需要繼續(xù)進行冷卻計算。②焊縫冷卻20 min后，最高溫度已經(jīng)降低到58.0℃，該溫度下材料固態(tài)相變已經(jīng)結(jié)束，該狀態(tài)下可以進行殘余應力計算。

本文采用熱結(jié)構(gòu)間接耦合計算方法，利用ANSYS間接耦合單元類型自動轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)由熱分析向結(jié)構(gòu)分析的轉(zhuǎn)換[6]。通過讀取每一個載荷步的溫度場結(jié)果，結(jié)合力學相關(guān)參數(shù)進行焊接過程動態(tài)應力及殘余應力的計算。求解時間為18 s，1 258 s時，對應的工件von-miss等效應力場分布見圖5。

結(jié)果可見：①焊接過程中的動態(tài)應力最大值均不超過材料的屈服強度，這與相關(guān)金屬材料學機理一致，既材料內(nèi)部應力達到屈服強度時，應力釋放，材料發(fā)生變形。②焊后冷卻20 min后的殘余應力最大值332 MPa，產(chǎn)生在焊縫及焊縫熱影響區(qū)。

為便于對焊接動態(tài)應力過程的復雜性進行分析，繪制5個關(guān)鍵點處焊接動態(tài)應力變化曲線，見圖6（右）。

結(jié)果可見：整個焊接修復過程中von-miss等效應力的變化分布規(guī)律復雜，時刻都在變化。2，3，5點變化最大，分別在20 s，40 s，50 s處達到波動峰值。60 s時各位置von-miss等效應力趨于穩(wěn)定，隨后冷卻過程中略有上升但最大應力不超過材料屈服強度。

3 工況下熱應力分析

在工況下，箱體最低溫度為-70 ℃，在此條件下進行熱-力耦合運算，對應的工件von-miss等效應力場分布（左）和應變（右）如圖7所示。

由圖可見，深冷環(huán)境下，焊縫殘余應力并沒有顯著變化，最大值344 MPa，最大值的區(qū)域及位置發(fā)生了變化，但仍不超過材料屈服極限。

圖5 不同時刻殘余應力場分布

圖6 不同點位應力曲線變化

圖7-70 ℃下的殘余應力場分布

4 結(jié)語

為探討環(huán)境試驗艙焊接殘余應力對整體結(jié)構(gòu)安全性的影響，本文在子結(jié)構(gòu)有限元運算方法的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對多參數(shù)試驗艙T形槽鋼焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計算。給出了焊接中的溫度場及范式應力計算結(jié)果，進一步探討了-70 ℃工況下殘余應力的性能變化。結(jié)果表明，利用改進均勻體熱源結(jié)合子結(jié)構(gòu)有限元方法進行焊接模擬計算實際可行；在本文所述結(jié)構(gòu)的計算中，該方法得出的焊接殘余應力在低溫環(huán)境下變化不大；為環(huán)境試驗艙的焊接殘余應力試驗研究提供了理論依據(jù)，具有一定的參考意義。

［1］ 劉川.基于動態(tài)子結(jié)構(gòu)的三維焊接殘余應力變形數(shù)值模擬［J］.焊接學報，2008，29（4）：22-24.

［2］ Brown S B，Song H.Rezoning and dynamic substructuring techniques in FEM simulations of welding processes［J］.Journal of Engineering for Industry， 1993， 115（4）： 415-423.

［3］ 張建勛，劉川.焊接應力變形有限元計算及其工程應用［M］.北京：科學出版社， 2015.

［4］ 張可榮，張建勛，黃嗣羅，等.大型厚壁簡體斜插彎管結(jié)構(gòu)焊接變形及其演變數(shù)值模擬［J］.材料工程， 2011，（1）：64-67，71.

［5］ 莊棟.核電汽機輪低壓焊接轉(zhuǎn)子殘余應力測量與有限元模擬［D］.西安：西安交通大學， 2012.

［6］ 馮艷輝.基于ANSYS的焊接梁殘余應力分析［D］：［碩士論文］.西安：西安建筑科技大學， 2008.

張海錠，男，福建泉州人，助理工程師，碩士研究生，環(huán)境技術(shù)/真空技術(shù)。

The Finite Element Calculation and Analysis on Welding Residual Stress of Multi-parameter Environmental Simulating Test Chamber

ZHANG Hai-ding， YAO Xiao-bing， GUI Gui
（National Institute of Measurement and Testing Technology， Institute of Acoustics， Chengdu 610051）

Welding is the main means in the manufacturing of steel structure module.Caused by welding deformation， the dimensional accuracy and carrying capacity of structure would be weakened.In the process of temperature periodic changes significantly， welding deformation would also resulted stress concentration， consequently， initial failures would be the major unsafe factor.This paper uses the finite element method， and analyzes transient three-dimensional stress and deformation of a new steel structure of multi-parameter environmental simulating test chamber in its welding process， and then figures out analysis results in-70 ℃.It provides a certain reference for the research and experiments on welding procedure analysis.

steel structure； FEM； welding residual stress； deformation

TH7

A

1004-7204（2016）03-0024-05

四川省科技支撐計劃 （2011GZ0067）