文|施勇，姜貞強(qiáng)，李玉剛，王濱

生死單元法是指如果模型中加入或刪除材料，模型中相應(yīng)的單元就“存在”或“消亡”，單元生死選項(xiàng)用于在上述情況下殺死或重新激活選擇的單元。在具體問題中，單元的生死狀態(tài)可以由Ansys的計算數(shù)值決定，如溫度、應(yīng)力或應(yīng)變等。基于生死單元的焊接熱源加載模型就是利用Ansys技術(shù)，用生熱率的形式來模擬熱量的輸入，從而模擬焊接過程。本文選取海上風(fēng)電機(jī)組樁基基礎(chǔ)常見的結(jié)構(gòu)Y型焊接管節(jié)點(diǎn)為研究對象，運(yùn)用Ansys對焊接溫度場和殘余應(yīng)力場進(jìn)行三維實(shí)時動態(tài)模擬研究，通過生死單元法，逐步激活單元并施加熱量，從而實(shí)現(xiàn)熱源的移動，得到任意時刻的溫度場和應(yīng)力場。對焊接殘余應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析，得到焊接殘余應(yīng)力的分布特點(diǎn)。

焊接過程模擬

焊接過程中一般無外力作用，殘余應(yīng)力主要由焊接過程中不均勻熱循環(huán)作用引起，所以焊接瞬態(tài)溫度場的計算是進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分析的前提，將瞬態(tài)溫度場的節(jié)點(diǎn)作為體荷載加到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中，從而得到焊接過程的瞬態(tài)應(yīng)力場及最終的殘余應(yīng)力場。

因高溫及溫度劇烈變化，焊接過程中材料的熱物理性能改變將導(dǎo)致傳熱過程嚴(yán)重非線性；此外，焊接過程中還涉及金屬的熔化、凝固、液固相傳熱以及相變潛熱等現(xiàn)象，極為復(fù)雜，因此本文分析只考慮主要的影響因素。對Y型節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力的研究作幾點(diǎn)簡化：簡化構(gòu)件幾何支座和加載條件；將非線性熱彈性-粘塑性模型簡化為熱彈塑性模型；忽略應(yīng)力應(yīng)變場對溫度場的影響，只考慮溫度場對應(yīng)力場的單向耦合；忽略缺陷和裂紋的影響；認(rèn)為材料的屈服服從米塞斯屈服準(zhǔn)則，塑性區(qū)內(nèi)的行為服從塑性流動準(zhǔn)則和強(qiáng)化準(zhǔn)則；假定與溫度有關(guān)的應(yīng)力應(yīng)變在微小的時間增量內(nèi)線性變化。

對于焊接過程來講，在熔焊的條件下，由熱源傳遞給焊件的熱量，主要是以輻射和對流為主，而母材和焊條獲得熱能后，熱的傳播則是以熱傳導(dǎo)為主。焊接傳熱過程所研究的內(nèi)容主要是焊件上的溫度分布及其隨時間的溫度變化問題。因此，焊接溫度場是以熱傳導(dǎo)為主。由于高度集中的瞬態(tài)熱量輸入，在焊接過程中和焊接完成后將產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力和變形計算是以焊接溫度場的分析為基礎(chǔ)，同時考慮焊接區(qū)溫度場變化對應(yīng)力應(yīng)變場的影響。

焊接溫度場的模擬

假設(shè)焊縫數(shù)值模擬初始環(huán)境溫度為30℃，不考慮熔池焊接過程的相變潛熱，焊接熱源以生熱率的方式施加，構(gòu)件與周圍環(huán)境只進(jìn)行對流換熱。

圖1 常見的三樁導(dǎo)管架中的Y型管節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)格劃分

一、建立幾何模型

海上風(fēng)電機(jī)組樁基結(jié)構(gòu)中Y型焊接管節(jié)點(diǎn)起主要支撐作用，此種焊接管節(jié)點(diǎn)在海上風(fēng)電機(jī)組樁基中較為常見。主管外焊接三個支管，本示例主管直徑φ630cm×8cm，支管直徑φ260cm×4.4cm，其幾何模型和單元劃分情況如圖1所示。

二、網(wǎng)格劃分

溫度場在焊縫及其附近分布十分不均勻，應(yīng)加密網(wǎng)格；遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域溫度變化相對較小，可以適當(dāng)減少網(wǎng)格的數(shù)量。本文網(wǎng)格劃分采用映射網(wǎng)格，焊縫區(qū)單元尺寸大小控制在4mm左右，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的單元尺寸控制在20mm左右。熱分析單元采用三維八節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID70，焊縫及周圍采用三維二十節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID90，以便在結(jié)構(gòu)分析時轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)單元SOLID95，模擬焊縫熔化。

最終，我的答案是假如有人將這只天下大第一壺送給我，我不要，白送我也不要。或有人說：它的做工很精致呀，是由10余名工匠歷時7個多月制成的。是的，可這又怎么樣？既然無用，精制與粗制就沒有什么區(qū)別。在廢品上雕上畫還是廢品?；蛴腥苏f，用掉上乘紫砂土1.5噸呢。是的，可這又怎么樣？既然同樣無用，材料是上乘的還是低劣的就沒有什么區(qū)別?；蛴腥苏f，它是當(dāng)今世界最大的紫砂壺，是天下第一壺呀。是的，可最大又怎么樣？天下第一又怎么樣？無用的最大就是最大的無用。天下第一壺就是天下第一無用壺，這有什么值得炫耀的嗎？

三、選擇材料屬性

（一）材料熱物理參數(shù)

材料在不同溫度下的線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)會有明顯的變化，如表1所示。本文在模擬過程中初始溫度場溫度設(shè)置為30℃。

圖2 焊接46s的溫度場

表1 Q345鋼材熱物理性能參數(shù)

（二）材料的力學(xué)性能參數(shù)

材料的力學(xué)特性會在不同的溫度時呈現(xiàn)不同的特性，特別是彈性模量和屈服強(qiáng)度的變化很顯著，這對計算結(jié)果的影響很大。Q345鋼在不同溫度下的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

四、焊接熱源的施加

隨著焊接過程的逐步進(jìn)行，熱源也在被焊接的構(gòu)件上不斷移動?？衫肁nsys軟件中的APDL語言編程實(shí)現(xiàn)這一動態(tài)過程：將空間上連續(xù)的運(yùn)動在Ansys中轉(zhuǎn)化到離散的時間域中，通過設(shè)定一定的時間步長，利用循環(huán)語句加載即可。將焊縫分為若干段，在各段依次加載內(nèi)部熱源。當(dāng)下一段開始加載熱源時，消除上一段施加的熱生成率，將上一段加載所得到的溫度場作為下一次加載的初始條件。依次在各段加載可模擬移動的焊接瞬態(tài)溫度場。

五、焊接溫度場的結(jié)果

焊接過程分內(nèi)外兩道焊縫。第一道焊縫完成后，中間冷卻40s，待溫度降至200℃以內(nèi)時，再進(jìn)行第二道焊縫的焊接過程。當(dāng)焊接完成時，冷卻至室溫。圖2為焊接時間為46s時熱源在該處焊縫的溫度場分布情況，可見未焊接的地方溫度維持在30℃，而熱源處溫度達(dá)到1800℃以上。由圖3可以看出在第一道焊縫焊接結(jié)束冷卻40s后，焊縫處溫度降為200℃以下，即可以開始第二道焊縫的焊接。

圖3 第一道焊接完成冷卻40s時的溫度場

表2 Q345鋼材力學(xué)性能參數(shù)

圖4為熱源運(yùn)動過程中焊縫處的溫度場情況，可見熱源處焊縫溫度達(dá)到2500℃以上。圖5為冷卻至30℃時的溫度場分布情況，可以看出焊接構(gòu)件經(jīng)過1600s冷卻后，結(jié)構(gòu)整體溫度趨于初始溫度。

焊接應(yīng)力場的模擬

圖4 第二道焊縫焊接460s時的溫度場

在Ansys模擬焊接殘余應(yīng)力時，需要在確保焊接溫度場正確后，將溫度場的模型轉(zhuǎn)化為應(yīng)力求解模型，從而實(shí)現(xiàn)焊接應(yīng)力場的模擬。

焊接應(yīng)力場和殘余變形計算，不需要再重新建立模型，而是采用溫度場計算時的網(wǎng)格模型，但須將熱單元轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，因此所用的SOLID70和SOLID90單元都有等效的結(jié)構(gòu)單元，分別是SOLID45和SOLID95。

一、約束條件和荷載條件的施加

約束條件的加入是為了確保有限元模型正常計算，不出現(xiàn)可變體系。施加約束條件須適當(dāng)，不能過強(qiáng)也不能過弱，這樣才能保證焊接過程中應(yīng)力和變形自由釋放。焊接管節(jié)點(diǎn)施加的約束如圖6所示，在主管的左端位置1限制所有的約束；位置2限制其轉(zhuǎn)角；在支管的位置3限制轉(zhuǎn)角。

通過Ansys的通用后處理器POST1程序，可以詳細(xì)地查看焊接過程中溫度場的變化及對應(yīng)時間點(diǎn)應(yīng)力場情況。這是由焊接單元逐步被激活過程決定的，應(yīng)力場求解單元的激活順序和激活時間要求相同。初始溫度場也設(shè)定為30℃。

焊接過程溫度變化大并且溫度梯度也大，可以使焊接金屬處于熔化狀態(tài)。結(jié)構(gòu)零應(yīng)力狀態(tài)指不包含應(yīng)力和應(yīng)變。這一過程可以采用單元生死技術(shù)進(jìn)行模擬，當(dāng)溫度場的溫度超過熔點(diǎn)（1500℃）時，將這些單元?dú)⑺?，激活低于熔點(diǎn)溫度的單元，從而模擬焊接過程的零應(yīng)力狀態(tài)。

圖5 冷卻接近室溫時的溫度場

圖6 結(jié)構(gòu)施加的約束

二、焊接應(yīng)力場的模擬結(jié)果

通過Ansys的通用后處理器可以得到焊接開始至冷卻到室溫過程中各個時間點(diǎn)結(jié)構(gòu)上某點(diǎn)的各種應(yīng)力、應(yīng)變值或某點(diǎn)的值隨時間的變化情況。本文主要關(guān)注焊接殘余應(yīng)力的分布情況，因此重點(diǎn)提取了冷卻至室溫時整個構(gòu)件的應(yīng)力值。

圖7是冷卻至室溫時整體的焊接應(yīng)力分布情況?？梢姾附託堄鄳?yīng)力主要集中在焊縫周圍，且應(yīng)力值接近Q345鋼的屈服強(qiáng)度，遠(yuǎn)離焊縫位置的焊接應(yīng)力迅速衰減。

圖7 冷卻至室溫時整體的焊接應(yīng)力

圖8 冷卻至室溫時支管的焊接應(yīng)力場

圖9 冷卻至室溫時主管的焊接應(yīng)力場

焊接殘余應(yīng)力分析

由焊接應(yīng)力場模擬結(jié)果圖7可以看到焊接殘余應(yīng)力主要集中于焊縫周圍，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域焊接殘余應(yīng)力急劇減小。因此焊接殘余應(yīng)力數(shù)值分析集中于沿焊縫環(huán)向分布情況和沿主管軸向過焊縫突變情況，后者主要表明焊接過程對原材料的影響。

比較圖8、9與圖7，可以看出與焊縫處的殘余應(yīng)力相比，支管上焊縫附近的殘余應(yīng)力大于主管上焊縫附近的殘余應(yīng)力，且在主、支管連接處有較大的焊接殘余應(yīng)力分布。

圖10 沿焊縫一周焊接殘余應(yīng)力

圖11 沿主管軸向過焊縫殘余應(yīng)力的分布

通過提取焊接殘余應(yīng)力并進(jìn)行結(jié)果分析，可以得到如圖10、11的焊接殘余應(yīng)力分布結(jié)果。圖10為沿焊縫環(huán)向焊接應(yīng)力分布情況，圖11為沿主管軸向過焊縫焊接應(yīng)力分布情況。由圖10可以看到沿焊縫的環(huán)向應(yīng)力起伏變化，基本都達(dá)到了300MPa（按第四應(yīng)力強(qiáng)度理論）。第一主應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值在260MPa以下，第二主應(yīng)力呈拉應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值在100MPa左右，第三主應(yīng)力基本處于壓應(yīng)力狀態(tài)，數(shù)值很小。由圖11可知，距離焊縫遠(yuǎn)的位置，應(yīng)力值基本降為零；在焊縫位置應(yīng)力值達(dá)到最大，但應(yīng)力大小并不關(guān)于支管中心對稱分布，而是Y型交接處一側(cè)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于另一側(cè)數(shù)值。圖中顯示的應(yīng)力數(shù)值為焊縫邊緣的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值，在焊縫中心焊接殘余應(yīng)力值基本達(dá)到屈服強(qiáng)度260MPa。

結(jié)論

本文在Ansys環(huán)境下對海上風(fēng)電機(jī)組樁基基礎(chǔ)中常見的焊接結(jié)構(gòu)Y型管節(jié)點(diǎn)的焊接過程進(jìn)行有限元仿真模擬分析，建立了圓管相貫節(jié)點(diǎn)焊接溫度場和應(yīng)力場三維有限元分析模型，模擬計算了焊接過程中的溫度場和焊接應(yīng)力場的分布情況。得出主要結(jié)論如下：

（1）溫度場的分析表明，用單元生死功能并考慮生熱率作為內(nèi)部熱源的加載方式模擬焊接過程是可行的。（2）應(yīng)力場采用熱-應(yīng)力間接耦合法進(jìn)行，利用單元生死技術(shù)實(shí)現(xiàn)熔池的移動，焊接熔池部分因?yàn)闇囟忍撸鋺?yīng)力幾乎為零。隨著熱源的移動，熔池不斷向前推進(jìn)，零應(yīng)力區(qū)域逐漸減小。冷卻過程中，隨著時間的增加，殘余應(yīng)力趨于穩(wěn)定。（3）應(yīng)力場分析表明Y型節(jié)點(diǎn)相貫線處存在很大的殘余應(yīng)力。除了在端部有很小的壓應(yīng)力外，其余均為拉應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力主要集中于焊縫處，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，焊接殘余應(yīng)力數(shù)值急劇減小。

攝影：徐寧

因此，殘余應(yīng)力對鋼管相貫焊接節(jié)點(diǎn)受力性能的影響不容忽視。焊接殘余應(yīng)力對在線焊接后結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度性能產(chǎn)生了較大的影響，故應(yīng)盡量消除殘余應(yīng)力。在進(jìn)行強(qiáng)度性能研究時，宜充分考慮殘余應(yīng)力的影響。