房元斌 陸永能 張林杰 孔祥意

(1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004； 2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械有限公司 高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221004； 3.西安交通大學(xué)，西安 710049； 4.徐工集團(tuán)道路機(jī)械分公司，江蘇 徐州 221004)

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穩(wěn)態(tài)熱加載對(duì)筒狀結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力影響的研究

房元斌1陸永能2張林杰3孔祥意4

(1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004； 2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械有限公司 高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221004； 3.西安交通大學(xué)，西安 710049； 4.徐工集團(tuán)道路機(jī)械分公司，江蘇 徐州 221004)

焊接熱源分別采用雙橢球和整條焊縫兩種穩(wěn)態(tài)熱加載，得到了筒狀結(jié)構(gòu)的焊后變形和殘余應(yīng)力分布，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：兩種加載方式焊后變形和應(yīng)力趨勢(shì)相同。整條焊縫加載峰值出現(xiàn)在兩封口板中心位置，峰值為4.931 mm，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比誤差小。應(yīng)力峰值相近，峰值近似339 MPa。采用雙橢球熱源加載，應(yīng)力分布與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好。仿真與試驗(yàn)結(jié)果誤差均能滿足工程應(yīng)用要求，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。雙橢球熱源加載的計(jì)算時(shí)間是整條焊縫加載的27.2倍，從工程應(yīng)用層面分析，整條焊縫加載具有重大的使用價(jià)值。

穩(wěn)態(tài)熱加載 筒狀結(jié)構(gòu) 應(yīng)力 計(jì)算效率

0 序 言

隨著焊接數(shù)值模擬技術(shù)的不斷成熟，數(shù)值模擬仿真在生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)常態(tài)化[1-4]。但在生產(chǎn)過程中，如何提高計(jì)算效率，對(duì)輔助焊接生產(chǎn)有重要實(shí)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已在焊接變形和應(yīng)力理論和工程應(yīng)用方面做了大量研究工作。日本大阪大學(xué)Murakawa Hidekazu團(tuán)隊(duì)基于固有應(yīng)變法[5]快速預(yù)測(cè)大型結(jié)構(gòu)件焊接變形；上海交通大學(xué)陸?zhàn)┖托鞚?jì)進(jìn)等人對(duì)筒狀結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵位置的殘余應(yīng)力進(jìn)行了深入研究[6]；武傳松、陸?zhàn)┖臀浩G紅對(duì)多物理場(chǎng)耦合相互作用機(jī)制[7]對(duì)焊接變形和應(yīng)力影響進(jìn)展和發(fā)展做了研究。

鑒于上述研究，結(jié)合文中筒狀結(jié)構(gòu)研究，以壓路機(jī)壓輪為研究對(duì)象。壓輪的生產(chǎn)一般分為升級(jí)和換代。產(chǎn)品升級(jí)主要是通過工藝質(zhì)量提升來實(shí)現(xiàn)，工藝質(zhì)量提升需要在半年內(nèi)完成；而產(chǎn)品換代是通過改變結(jié)構(gòu)形式、新材料應(yīng)用和新工藝的研發(fā)，往往需要長(zhǎng)時(shí)間跟蹤市場(chǎng)反饋，花費(fèi)一到兩年的時(shí)間才能穩(wěn)定。全憑工藝人員生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的要求，這就需要借助計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算技術(shù)，縮短時(shí)間，建立正確的壓輪有限元建模，需要經(jīng)歷三維模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、熱源校核、樣件數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、調(diào)試計(jì)算、校核模型。在焊縫附近溫度梯度大，網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)一般達(dá)到百萬以上，道次多、焊縫長(zhǎng)、非線性計(jì)算，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，因而如何有效降低計(jì)算時(shí)間至關(guān)重要。

文中借助有限元分析，以雙橢球熱源和整條焊縫兩種穩(wěn)態(tài)加載，獲得了壓輪變形和殘余應(yīng)力分布，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)，對(duì)比了兩種方式的計(jì)算效率。

1 試樣制備

壓輪材料為Q345B，外徑1 400 mm，輪寬2 100 mm，輪邊距到封口板600 mm，板厚40 mm，幾何模型如圖1所示，現(xiàn)場(chǎng)焊接如圖2所示。

圖1 壓輪幾何模型圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)焊接圖

卷圓直焊縫和封口板環(huán)形焊縫，采用福尼斯500型焊機(jī)焊接，焊接方法二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，坡口角度為60°。焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 有限元模型的建立

熱源加載方式主要有功率加載、熱循環(huán)曲線加載、穩(wěn)態(tài)熱加載、功率加載熱源校核難度大，需要花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)；熱循環(huán)曲線加載，收斂性差，計(jì)算準(zhǔn)確性與采集系統(tǒng)有關(guān)。基于以上考慮采用穩(wěn)態(tài)熱加載，分別對(duì)雙橢球[8]和整條焊縫[9]兩種加載方式進(jìn)行對(duì)比。

焊縫單元采用預(yù)先設(shè)置的方式，因而需要測(cè)量宏觀熱源模型參數(shù)[10]，從而定義填充單元的尺寸。通過接頭試驗(yàn)，測(cè)量焊高、熔寬、熔深以及熱影響區(qū)尺寸，如圖3所示。根據(jù)實(shí)際測(cè)量的宏觀熱源形貌數(shù)據(jù)，進(jìn)行焊縫單元填充。

網(wǎng)格總數(shù)直接影響著計(jì)算效率，為了有效控制模

圖3 熱源宏觀形貌

型的網(wǎng)格數(shù)，采用單元過渡技術(shù)，對(duì)焊縫和熱影響區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，而對(duì)于自由端和遠(yuǎn)離焊縫位置采用稀疏網(wǎng)格。從而獲得壓輪網(wǎng)格模型，如圖4所示。其中，壓輪焊縫位置單元尺寸為3 mm，網(wǎng)格總數(shù)為1 014 054個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為1 164 148個(gè)。

圖4 壓輪的網(wǎng)格模型

模擬所采用的材料為Q345B，部分物性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)隨溫度變化曲線，如圖5所示。

圖5 Q345B鋼的相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)與溫度的關(guān)系

力學(xué)邊界條件的定義：設(shè)置一組接觸對(duì)，用來模擬卷圓封口板焊接時(shí)，另一側(cè)卷圓自由端與變位機(jī)之間的接觸。沿寬度方向在中截面表面選擇若干節(jié)點(diǎn)，用來限制Y向的位移，目的是不影響對(duì)接板的縱向收縮變形；沿卷圓兩側(cè)自由端四等分點(diǎn)選擇若干節(jié)點(diǎn)來限制XZ向的位移，自由截面在焊縫收縮作用下，向卷圓板中心收縮變形，受限于截面圓結(jié)構(gòu)，在XZ平面收縮變形相對(duì)較小，從而達(dá)到不影響自由截面的橫向收縮。等效工件與外部環(huán)境的對(duì)流和輻射，將對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)為0.02，環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃。

3 有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 焊接變形仿真分析

通過計(jì)算獲得雙橢球熱源和整條焊縫加載兩種加載方式的壓輪焊后變形，如圖6所示。

圖6 焊接變形云圖

通過圖6可知，兩種加載方式焊接變形趨勢(shì)相同。在卷圓板的直焊縫中間位置外凸。這主要是由于焊接過程中先焊接，后焊接的封口板環(huán)焊縫冷卻產(chǎn)生收縮力，對(duì)直焊縫中間位置有一個(gè)力矩作用，故使其位置外凸；而卷圓板沿著直焊縫和軸線AB平面呈現(xiàn)拉伸變形，在豎直方向最高點(diǎn)C和最低點(diǎn)D沿軸線平面呈現(xiàn)收縮變形，整體呈現(xiàn)壓扁的橢球變形。產(chǎn)生該變形趨勢(shì)均是在焊縫拘束力的作用下CD點(diǎn)產(chǎn)生向AB軸向平面收縮的趨勢(shì)；兩封口板沿著平面法向向各自輪邊一側(cè)呈外凸變形。這是典型的T形接頭焊后變形趨勢(shì)。

從焊后變形峰值可知，雙橢球熱源加載峰值出現(xiàn)在直焊縫收弧位置，峰值小，其值為4.179 mm；整條焊縫加載峰值出現(xiàn)在兩封口板中心位置，峰值為4.931 mm。兩封口板圓心同軸度是壓輪的關(guān)鍵尺寸，提取仿真結(jié)果。雙橢球熱源加載單側(cè)變形量為3.254 mm，總變形量為6.508 mm，整條焊縫加載單側(cè)變形量為4.931 mm，總變形量為9.862 mm。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證與對(duì)比分析

采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)煞饪诎逋鈧?cè)圓心位置沿軸線的距離。測(cè)量前對(duì)表面進(jìn)行除銹、除渣等處理。采用隨機(jī)抽樣的方式進(jìn)行驗(yàn)證，抽檢同一批次的壓輪，計(jì)算平均值，共記錄3組，變形測(cè)量值如表2所示。

通過表2可知：試驗(yàn)測(cè)得焊接變形測(cè)量平均值為9.09 mm。雙橢球熱源加載變形量為6.508 mm，整條焊縫加載變形量為9.862 mm，計(jì)算得到誤差分別為28.4%和8.5%，滿足工程應(yīng)用要求，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)，從該筒狀結(jié)構(gòu)件封口板關(guān)鍵位置

測(cè)量數(shù)據(jù)，能直觀看出整條焊縫加載結(jié)果與試驗(yàn)值吻合更好，模擬值偏小，這與生產(chǎn)中拼焊誤差和焊接參數(shù)高于工藝設(shè)計(jì)值、筒狀結(jié)構(gòu)件自身結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)。

表2 變形測(cè)量值 mm

3.3 應(yīng)力場(chǎng)仿真分析

從圖7可知，兩種加載方式應(yīng)力分布趨勢(shì)相同，在焊縫位置附近應(yīng)力較大，且峰值相近，其值近似為339 MPa。卷圓板直焊縫起弧位置先冷卻，焊縫位置收縮發(fā)生塑性變形。后焊接位置逐漸冷卻，但相對(duì)于先冷位置的拘束大，產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng)，因而收弧位置的應(yīng)力大。

圖7 應(yīng)力分布云圖

兩種加載方式局部位置的應(yīng)力大小不同，整條焊縫加載應(yīng)力集中區(qū)域大。在卷圓板直線焊縫位置附近殘余應(yīng)力分布有明顯的區(qū)別，因而提取卷圓板焊縫中心應(yīng)力曲線對(duì)比分析，如圖8a所示?？梢钥闯?，在直焊縫和封口板圓周焊交叉位置雙橢球熱源加載應(yīng)力值小，這與加載時(shí)間有關(guān)。雙橢球熱源加載時(shí)間長(zhǎng)，散熱快，交叉位置的預(yù)置溫度低，因而封口板的焊接相當(dāng)于對(duì)卷圓板直焊縫進(jìn)行熱處理，從而降低殘余應(yīng)力。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證與對(duì)比分析

采用HK21A型殘余應(yīng)力測(cè)試儀測(cè)試卷圓邊直焊縫附近的殘余應(yīng)力。測(cè)量點(diǎn)既要考慮盡量遠(yuǎn)離起收弧位置，同時(shí)測(cè)量點(diǎn)間距應(yīng)大于盲孔法有效測(cè)量點(diǎn)間距30 mm，又不能太靠近封口板，防止受導(dǎo)向桿位置限制。分別選取距離封口板180 mm和360 mm的焊縫表面中心位置進(jìn)行殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)采集，具體測(cè)量位置如圖8b所示。

圖8 殘余應(yīng)力與試驗(yàn)測(cè)量分布圖

通過圖8a可知，采用雙橢球熱源加載和整條焊縫加載誤差分別為19.8%和29.4%，采用雙橢球熱源加載，應(yīng)力分布與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好，該種加載方式更接近實(shí)際工況。

3.5 計(jì)算效率對(duì)比

計(jì)算使用中科曙光高性能計(jì)算機(jī)，采用并行技術(shù)，分20個(gè)核計(jì)算。在保證模擬實(shí)際焊接工況結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮散熱時(shí)間，雙橢球熱源加載的計(jì)算時(shí)間為1 685 563.91 s，整條焊縫的加載計(jì)算時(shí)間為62 046.07 s。

從計(jì)算效率來考慮，雙橢球熱源加載的計(jì)算時(shí)間是整條焊縫加載的27.2倍。從計(jì)算精度分析，兩種加載方式焊接變形和應(yīng)力與試驗(yàn)結(jié)果誤差均能控制在30%以內(nèi)，滿足計(jì)算精度要求。從工程應(yīng)用層面分析，采用整條焊縫加載在筒狀結(jié)構(gòu)件計(jì)算具有重大的使用價(jià)值。

4 結(jié) 論

(1)以雙橢球熱源和整條焊縫兩種方式加載，得到筒狀結(jié)構(gòu)焊接變形和應(yīng)力滿足工程應(yīng)用的要求，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)兩種加載方式焊接變形趨勢(shì)相同，筒狀結(jié)構(gòu)采用整條焊縫加載焊后變形與試驗(yàn)結(jié)果吻合更好。

(3)應(yīng)力分布趨勢(shì)相同，在焊縫位置應(yīng)力較大，且峰值相近，近似為339 MPa。采用雙橢球熱源加載，應(yīng)力分布與試驗(yàn)結(jié)果吻合度更好。

(4)雙橢球熱源加載的計(jì)算時(shí)間是整條焊縫加載的27.2倍，從工程應(yīng)用層面分析，整條焊縫加載具有重大的使用價(jià)值。

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2016-11-21

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2015BAF07B02)

TG404

房元斌，1985年出生，碩士，工程師。主要從事工程機(jī)械產(chǎn)品方面的生產(chǎn)工藝和焊接數(shù)值模擬研究工作，已發(fā)表論文10余篇。