徐剛 戚海勇 劉軍

為了減小叉車結(jié)構(gòu)件的焊接熱變形并探索叉車焊縫的焊接順序優(yōu)化方法，本文首先對某型叉車結(jié)構(gòu)件進行有限元網(wǎng)格劃分，采用串熱源移動模型模擬焊接熱場的移動，利用ANSYS/WORKBENCH程序自帶的APDL語言編程實現(xiàn)熱移動載荷的施加。計算得到叉車結(jié)構(gòu)件焊接結(jié)束后的溫度場分布，然后將溫度場作為已知條件輸入模型，計算得到結(jié)構(gòu)件的焊接變形。并將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比，二者誤差為10.7%，在控制誤差15%以內(nèi)，滿足計算要求，表明本文計算模型的合理性，可以此方法為依據(jù)，進行叉車焊縫焊接順序的優(yōu)化。

一、引言

叉車車輛焊接構(gòu)架的焊接變形是影響構(gòu)架結(jié)構(gòu)設(shè)計完整性、制造工藝合理性和結(jié)構(gòu)使用可靠性的關(guān)鍵因素之一。目前，消除焊接構(gòu)架在制造過程中的焊接變形常采用的方法是變形矯正和整體退火等，這樣不僅增加成本、延長制造周期，而且會改變結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的分布狀態(tài)。因此，迫切需要采用數(shù)值方法模擬焊接構(gòu)架的焊接過程，掌握焊接變形的規(guī)律，以制定科學(xué)的焊接工藝。

1962年，丹麥人首次用計算機有限差分法進行鑄件凝固過程的傳熱計算，進入70年代，更多的國家加入到這個研究行列，并從鑄造逐步擴展到鍛壓、熱處理、焊接。我國焊接界數(shù)值模擬研究起步于80年代初，近年來很多的科研單位和個人投入到了這項研究中，并取得了積極的進展。

譚兵等采用采用SYSWELD有限元軟件對多種夾持條件下的5 mm厚的L形鋁合金角接接頭的激光—MIG復(fù)合熱源焊接變形進行數(shù)值模擬，并與實際焊接結(jié)果進行比較。研究表明：該軟件能較好地模擬L形角接接頭的激光—MIG復(fù)合焊，模擬結(jié)果與實際變形偏差為10%，夾持近焊縫處和焊縫冷卻到室溫時卸下夾具，更利于控制L形鋁合金結(jié)構(gòu)的激光—MIG復(fù)合焊接變形。孫凱等采用ESI公司焊接專用軟件SYSWELD對K7轉(zhuǎn)向架副構(gòu)架進行了數(shù)值計算分析。根據(jù)K7轉(zhuǎn)向架副構(gòu)架建立其三維幾何模型，劃分網(wǎng)格模型，設(shè)置熱源參數(shù)。考慮到實際生產(chǎn)時遇到的情況，采用四種焊接方式進行模擬，并與實驗結(jié)果相對比，按照設(shè)計的焊接工藝仿真得到的焊接殘余應(yīng)力與實驗吻合較好。張書權(quán)等基于有限元軟件SYSWELD對T型接頭溫度場進行三維動態(tài)模擬，得出了瞬態(tài)溫度場分布圖和特征點的熱循環(huán)曲線，同時也得出了焊縫上任一點的溫度變化與相演變的關(guān)系。王中輝等在相同的焊接工藝參數(shù)下，采用焊接間隙為1mm 等距和焊接起始點到焊接終止點間隙從1mm 漸變到3mm 兩種裝配方式，對薄板進行焊接，利用SYSWELD 有限元分析軟件對薄板對接焊縫進行數(shù)值模擬，得出平板對接焊縫的溫度場分布、殘余應(yīng)力和變形，并通過試驗驗證了模擬分析結(jié)果。張錦州等采用SYSWELD模擬軟件對X70 管線焊接進行數(shù)值模擬，建立了體積組合熱源分析模型，確定熱物理參數(shù)變化規(guī)律，模擬計算出焊縫區(qū)焊接應(yīng)力變形的分布規(guī)律，求得應(yīng)力變形最危險位置，為探索管線焊接規(guī)律提供了有益的幫助。胡建以Q345D 低合金高強鋼T 型接頭雙面焊接過程的數(shù)值模擬為研究對象，利用SYSWELD 有限元分析軟件，選擇雙橢球熱源模型，模擬不同焊接工藝下Q345D鋼T型接頭雙面焊接過程。尹輝俊和畢齊林基于固有應(yīng)變理論，采用ANSYS建立了叉車門架的有限元模型并進行了數(shù)值模擬分析，求出叉車門架焊接變形大小及趨勢，得出了對叉車門架焊接變形進行預(yù)測與控制的一種方法。馮兆龍和朱丙坤利用大型軟件MSC MARC有限元分析軟件對T型接頭的不同焊接方式進行了實時三維數(shù)值模擬，并對焊接殘余應(yīng)力分布以及角變形計算結(jié)果進行了分析說明。李婭娜等采用MSC MARC對焊接構(gòu)架的關(guān)鍵部件—側(cè)梁進行了焊接變形仿真計算，并對側(cè)梁進行現(xiàn)場跟蹤測量，分別得出側(cè)梁的焊接變形計算結(jié)果與測量值，二者基本吻合。王軍等針對起重機主梁蓋板和腹板的箱形梁焊接殘余應(yīng)力及變形復(fù)雜等情況，采用ANSYS有限元方法，選取分段移動串行熱源模型、熱力耦合及生死單元技術(shù)，進行了焊接應(yīng)力場及變形的數(shù)值模擬。高大曉等運用大型通用有限元計算軟件ABAQUS對Q235薄板焊接溫度場進行數(shù)值模擬，研究比較了常規(guī)CO²保護焊及帶強化散熱裝置的CO²保護焊焊接過程中溫度場的分布及發(fā)展過程。趙利華和張開林以熱彈塑性理論為基礎(chǔ)，采用ANSYS的APDL語言對側(cè)梁進行焊接變形數(shù)值仿真計算，并對側(cè)梁進行現(xiàn)場跟蹤測量。其焊接變形仿真計算結(jié)果與測量值基本吻合，誤差在7%之內(nèi)。莫舂立等、程久歡等、陳家權(quán)等分別總結(jié)和闡述了目前焊接問題數(shù)值模擬中采用的主要熱源模型。蔡志鵬等通過分析焊接熱源的特征要素，在ANSYS高斯熱源的基礎(chǔ)上，根據(jù)輸入熱功率相當(dāng)提出段熱源模型，并與點熱源結(jié)合，進一步提出更加靈活實用的串熱源模型。經(jīng)驗證明，可在保持精度的同時大幅度地縮短計算時間，從而使實際構(gòu)件工藝的模擬、優(yōu)化成為可行。

二、焊接熱變形場數(shù)值模擬

1、數(shù)模簡化及網(wǎng)格劃分

叉車部件的三維數(shù)模在叉車設(shè)計部門專業(yè)的三維繪圖軟件中完成，然后導(dǎo)出成IGES格式的文件，由于CAD模型通常不會考慮CAE分析的需要，DesignModeler是它們之間的橋梁。DesignModeler全參數(shù)化實體建模，基于ANSYS15.0 Workbench，提供適用于有限元計算的建模功能，包含具體模型的創(chuàng)建，CAD模型的導(dǎo)入和修復(fù)，CAD模型的簡化以及概念化模型創(chuàng)建功能。叉車部件三維數(shù)模如圖1所示。

根據(jù)焊接問題分析的特點，將模型中的全部體選中，組成一個新的部件，以便焊縫處能夠共享節(jié)點，溫度及應(yīng)力結(jié)果過度平滑。本文采用串熱源模型進行計算時，并且為了方便對焊縫進行分段，以三維幾何模型中焊縫所在的自然線段的每段為一條焊縫。擬將所有的焊縫按照長度約為50mm進行分段。

Workbench中的有限元網(wǎng)格算法可以分為協(xié)調(diào)分片算法和獨立分片算法，協(xié)調(diào)分片算法的分片面及邊界考慮零件實體間的相互影響采用小公差，常用于考慮幾何體的小特征。可以用虛擬拓撲工具把一些面或者邊組成，構(gòu)成虛擬單元，從而減少單元數(shù)目，簡化小特征，簡化載荷提取，因此如果采用虛擬拓撲工具可以放寬分片限制。獨立分片算法的分片不是太嚴格，通常用于統(tǒng)一尺寸的網(wǎng)格。本報告中車架部件的網(wǎng)格算法采用協(xié)調(diào)分片算法。分析此模型，最小厚度為底板厚度30mm，為了保證計算精度，采用高階單元算法，厚度方向上至少需要劃分2層網(wǎng)格，故全局單元尺寸設(shè)置為15mm，單元類型為六面體主導(dǎo)的網(wǎng)格類型，以六面體網(wǎng)格為主導(dǎo)，局部內(nèi)部填充使用四面體單元。最終劃分的網(wǎng)格單元數(shù)為26044，節(jié)點數(shù)為102768，如圖2所示。

2、材料模型

焊接的力學(xué)性能和熱物理性能參數(shù)對焊接過程數(shù)值模擬的結(jié)果和計算過程均有較大的影響，因此，也必然要對數(shù)值模擬的精度和準確性產(chǎn)生影響。結(jié)構(gòu)件材料為Q235鋼，輸入的力學(xué)性能和熱物理性能參數(shù)（彈性模量、屈服極限、比熱容、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)、泊松比等）均與溫度相關(guān)，并在進行三維數(shù)值模擬時對材料高溫性能參數(shù)進行假設(shè)，查閱工程材料手冊可得到其主要參數(shù)隨溫度變化曲線，選取主要數(shù)據(jù)點如表1所示。

3、焊接串熱源模型及參數(shù)

高斯熱源模型指輸入熱流密度沿加熱中心的半徑方向為高斯函數(shù)分布。這種模型作為弧焊熱輸入方式的描述可以很好地模擬溫度場，進而得到較好的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)值結(jié)果。但這種模型需要在空間上將焊縫附近區(qū)域的網(wǎng)格劃分得很細，在時間上也要很多時間步進行迭代計算，計算量非常大。實際構(gòu)件的工藝優(yōu)化若果用高斯熱源模型實現(xiàn)的困難很大。

點熱源模型是一種理想熱輸出方式，描述在空間中一個無尺寸的幾何點上輸出熱功率的大小。如果將段熱源模型用一組點熱源模型取代，形成一串點熱源，則既可以減少計算量，又有使用上的靈活性。這種用一組點熱源模型取代段熱源模型的作用而形成的熱源模型，稱為串熱源模型。對于串熱源的描述只需指明在哪些節(jié)點上輸入熱功率的大小及加熱時間。只要有節(jié)點即可施加點熱源，不受節(jié)點所在面形狀和方向的限制。而且可用鼠標直接點擊需要施加的位置，可不用子程序去描述。

首先，斑點中心最大熱流q_M及熱源集中系數(shù)K的公式得到：

在段熱源的基礎(chǔ)上，加熱長度為d的焊縫，單位時間內(nèi)需要施加熱量為：

加熱時間為：

本文車架結(jié)構(gòu)件的焊接工藝為C0₂保護焊，焊接熱參數(shù)如表2所示。

按照上述焊接參數(shù)表，可得長度為d的焊縫焊接單位時間內(nèi)總輸入熱量為：

實際焊接時，將長焊縫分段，則每一小段的單位時間內(nèi)的熱輸入僅與該段的長度有關(guān)，而加熱時間僅僅與該段的焊速有關(guān)，焊速一定，則為常量。將車架結(jié)構(gòu)件所包含的40條焊縫順序用數(shù)字表示如圖3所示。

先將件2和件3與件1分別焊接，將所有焊縫標記為數(shù)字，共8條焊縫。

焊接工藝撐檔4和5，將所有焊縫標記為數(shù)字，共12條焊縫。在件2和件3的內(nèi)側(cè)堆焊，共2條焊縫。焊接件6，共12條焊縫。焊接件2和件3的外側(cè)，共6條焊縫。

根據(jù)模型的幾何尺寸，焊縫如1、3、5、7的長度約為50mm左右，是所有主要焊縫中長度最小的，因此，本項目采用串熱源模型進行計算時，擬將所有的焊縫按照長度約為50mm進行分段，并根據(jù)本項目的焊接工藝參數(shù)及串熱源模型計算得到每一小段焊縫的熱流。

4、移動熱源APDL程序加載

采用分段移動的串熱源模型，其載荷施加的本質(zhì)是，定義一個隨時間和空間變化的熱流，定義熱流隨時間變化主要是體現(xiàn)實際焊接過程中的焊接速度，定義熱流隨空間變化主要是體現(xiàn)實際焊接過程中的焊縫的逐步加熱。

目前，Workbench并不支持這種在線上施加隨時間和空間變化的熱流。為了能夠清晰描述并施加焊縫的焊接順序，方便檢查及糾錯，本文對每條焊縫分別編寫一個命令流，40條焊縫共添加了40個命令流。

車架部件的焊縫共有40條，按照長度約為50mm進行分段，可以將其分為196段，每段焊縫為一個時間求解步，所以，在創(chuàng)建加載的APDL命令流時，對分成1段焊縫的每個短焊縫施加一個載荷步，而對分割成許多小段的長焊縫，可以利用APDL的do循環(huán)語句施加多步載荷，多步載荷的步數(shù)與焊縫分割的段數(shù)一致。命令流較長，考慮篇幅所限，這里僅給出第一條焊縫的加載程序如下。

求解上述196個焊接熱量施加的時間步，可以得到車架部件焊接過程的溫度分布，注意在求解結(jié)果當(dāng)中插入溫度結(jié)果這一項。求解多個時間步的問題，采用如下的APDL語言命令加載，其意義可以解釋為，順序求解載荷步的第1步到第196步，記錄每一步的計算結(jié)果。

lssolve，1，196

求解焊接熱變形時，將焊接瞬態(tài)熱分析的溫度結(jié)果直接傳遞給瞬態(tài)應(yīng)力分析，首先在工程流程圖區(qū)建立瞬態(tài)應(yīng)力分析模塊，將瞬態(tài)熱分析的幾何數(shù)據(jù)、材料數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)傳遞給瞬態(tài)應(yīng)力分析，這樣在焊接變形分析時只需要定義問題的力學(xué)邊界條件及加載步即可。

加載時首先將模型的底板面向上方向固定，然后求解按照196個焊接熱量施加的時間步，便可以得到車架部件焊接過程的變形分布，注意在求解結(jié)果當(dāng)中插入應(yīng)力和變形結(jié)果這一項。求解多個時間步的問題，采用如下的APDL語言命令加載，其意義可以解釋為，順序求解由于焊接溫度引起的載荷步的第1步到第196步，記錄每一步的計算結(jié)果。

三、計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比及誤差分析

計算溫度場、應(yīng)力場、變形場均收斂，可以對計算結(jié)果進行后處理。對于焊接過程云圖，限于篇幅，本文僅給出焊接結(jié)束后結(jié)構(gòu)件的焊接溫度場分布、變形場分布及殘余應(yīng)力場分布。

1、溫度分布

車架部件焊接結(jié)束后溫度場分布如圖4所示，焊縫周圍的溫度分布較高，遠離焊縫區(qū)域溫度分布較小，并且整個結(jié)構(gòu)的最高溫度約為9300℃，最低溫度為36℃，比室溫稍高。

2、變形分布及與實驗結(jié)果對比

進行實際焊接時，將底板自然放置于地面，然后將其余各板件進行點加固，然后逐條焊縫進行焊接。焊接結(jié)束后，測量平板l和平板2之間距離的變化，測量時選取的測點位于圖5的平板1和平板2的邊緣紅線上，經(jīng)測量，發(fā)現(xiàn)平板l和平板2之間的距離變化為0.50mm。

按照實際焊接的測量結(jié)果，首先將部件結(jié)構(gòu)變形圖以網(wǎng)格形式顯示，然后計算出與實際焊接時一致的兩條線的距離，最后將此距離與實際測量結(jié)果進行對比。為了比較更加可靠，這里計算兩條線距離的辦法是，PROBE出圖6所示的平板1上邊緣線各節(jié)點的位移，然后計算平均值，作為平板1邊緣線的變形，依此，可以得到平板2邊緣線的變形，具體節(jié)點位移及其平均值如表3所示。

由表3可見，車架部件焊接變形計算結(jié)果為0.56mm，實驗測試結(jié)果為0.50mm，二者的誤差為10.7%，在工程實際和項目要求的誤差15%的范圍以內(nèi)，滿足要求，表明本報告所建立的焊接計算模型及算法是合理和可靠的，可以利用此方法進行后面有關(guān)車架焊接順序的優(yōu)化。

上述焊接變形圖的顯示與實驗測試是一致的，僅僅是一個方向的位移，實際上真正的變形是三個方向的位移的合成，即本次計算及本報告最關(guān)心的焊接變形場的分布，計算結(jié)果如圖7所示，這里給出的是總的位移變形場，可見，焊縫周邊節(jié)點的位移較小，而遠離焊縫的節(jié)點的位移較大，最大的焊接變形節(jié)點的位移為1.4mm左右。

3、焊接殘余熱應(yīng)力分布

焊接結(jié)束后車架部件殘余應(yīng)力的分布如圖8所示，可見，最大應(yīng)力為7.5GPa，最小應(yīng)力為0.18GPa，并且，焊縫周圍應(yīng)力水平較高，其應(yīng)力水平基本上超過了材料的屈服應(yīng)力，使材料進入了塑性狀態(tài)，而遠離焊縫處基本保持較低應(yīng)力水平。

四、結(jié)語

本文數(shù)值模擬計算得到叉車結(jié)構(gòu)件的焊接溫度場、應(yīng)力場及變形場。對于溫度場，焊縫周圍的溫度分布較高，遠離焊縫區(qū)域溫度分布較小，并且整個結(jié)構(gòu)的最高溫度約為9300℃，最低溫度為36℃，比室溫稍高。對于應(yīng)力場，焊縫周圍應(yīng)力水平較高，其應(yīng)力水平基本上超過了材料的屈服應(yīng)力，使材料進入了塑性狀態(tài)，而遠離焊縫的地方基本保持了較低的應(yīng)力水平。對于變形場，與實驗測試結(jié)果進行了對比，二者誤差為10.7%，在要求的誤差15%的范圍以內(nèi)，表明本文所建立的焊接計算模型及算法是合理和可靠的，可以利用此方法進行后面有關(guān)車架焊接順序的優(yōu)化。焊縫周邊節(jié)點的位移較小，而遠離焊縫的節(jié)點的位移較大，最大焊接變形節(jié)點的位移為1.4mm左右。