李雪罡，李翔，王云龍

（北京航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120）

壁板就是飛機的外壁構(gòu)件，主要由蒙皮、長桁和隔框經(jīng)一定的加工工序組合而成。在壁板結(jié)構(gòu)中，桁條的主要功能是支撐、固定蒙皮形狀，避免蒙皮局部在經(jīng)受空氣動力時產(chǎn)生過大的形變。鈦合金、高強鋁合金常用來制造飛機薄壁結(jié)構(gòu)件，在傳統(tǒng)飛機薄壁構(gòu)件制造中，多采用鉚接的形式進行連接。相比鉚接，焊接具有減輕結(jié)構(gòu)重量、提高效率、降低制造成本、提高結(jié)構(gòu)性能等優(yōu)點。其激光焊接能量密度較高，焊接效率高，熱輸入量較小，所以其焊縫性能良好，焊接結(jié)構(gòu)的變形量小，正逐步廣泛應(yīng)用于航空制造業(yè)。

1 概況描述

本次所選模型為某型號飛機整體加強壁板中的一部分，其整體壁板尺寸為560×560×2mm，如圖1所示。由于此模型具有一定的對稱性，所以先選取一組筋條進行焊接仿真。此飛機加強壁板的材料為TC4鈦合金。

圖1 飛機加強壁板的典型特征

2 有限元仿真

有限元仿真流程如圖2所示。

（1）模型描述。此模型為從整體模型中提取出的具有一組加強筋的局部模型，如圖3所示。

（2）有限元模型。由于模型尺寸較大，所以網(wǎng)格劃分時要采用由密到疏的過渡。對于腹板而言，要求焊縫及其周圍區(qū)域網(wǎng)格較密，這樣才能保證計算的準(zhǔn)確性。遠離焊縫的區(qū)域要相對稀疏一些，這樣一來，保證模型網(wǎng)格不要太多，從而保證計算的時間不必過長；對于翼板而言，靠近焊接區(qū)域的網(wǎng)格要密，保證精度，遠離焊縫的區(qū)域可以相對稀疏一些；對于焊縫而言，需使得網(wǎng)格尺寸較小且分布均勻，其網(wǎng)格劃分方式如圖7所示。

表1 焊接模型概況

圖2 有限元仿真流程

加強壁板的焊接三維模型，見圖4。

圖3 局部模型示意圖

圖4 整體三維模型

（3）熱源。熱源模型的選擇取決于熔池形態(tài)、傳熱區(qū)域、焊接模擬過程等。本文選取圓錐體熱源模型，模型熱作用半徑沿深度方向線性減小，在熱源的每個截面上熱流成高斯分布，但熱流峰值在厚度方向上不變。圓錐熱源模型是熱流作用半徑在深度方向呈一定規(guī)律衰減的旋轉(zhuǎn)體熱源，這更符合實際激光焊接過程的特點。在熱源的設(shè)置中主要設(shè)置的參數(shù)有熱源的尺寸、移動速度、熱源角度、能量、效率等。針對兩種焊縫設(shè)置有不同的參數(shù)。對于兩種不同的焊縫，焊接速度均為：20mm/s，單位長度的能量均為180J/mm。但是，由于兩證焊縫的截面尺寸不同，因此，熱源的尺寸有所不同。焊接翼焊接每條焊縫的時間間隔為10s。

（4）冷卻條件。采用空氣冷卻，室溫設(shè)為20℃，冷卻時間為1800s。將整體三維模型的外表面的2D單元提取出來作為熱交換面。

（5）夾持條件。采用剛性夾持，使腹板與翼板的法相固定。加持過程分為三個階段，階段一：0～30s，加持腹板與翼板。階段二：30～600s，加持腹板，翼板與交叉翼板。階段三：600～1800s，釋放所有夾持，讓模型在自由狀態(tài)下冷卻。

3 仿真結(jié)果

（1）溫度場分布。將溫度場上限設(shè)置為材料的熔點1500℃，可以看出在焊接過程中母材達到熔化溫度，說明材料已被焊透。

圖5 溫度場分布

圖6 位移分布

（2）位移分布。從位移分布圖中可以看出，最大位移為1.066mm，發(fā)生在最后兩條焊縫處。雖然結(jié)構(gòu)是對稱的，但由于焊接順序的原因，導(dǎo)致最終的位移分布并不對稱。

（3）變形趨勢。將變形量放大8倍進行觀察，由圖7可以看出，翼板的會產(chǎn)生一個弧度，并且圓弧偏向第一條焊縫，腹板的中間部分會有所拱起。

圖7 變形趨勢圖

（4）應(yīng)力分布。從應(yīng)力分布圖中可以看出，應(yīng)力最大的地方都集中在焊縫處，最大可以達到1019MPa。

圖8 焊接結(jié)束時的應(yīng)力分布

圖9 冷卻結(jié)束后的應(yīng)力分布

焊接結(jié)束后的應(yīng)力分布與冷卻結(jié)束后的應(yīng)力分布有所不同，對比圖8與圖9可以看出，腹板上的應(yīng)力由中間部分向外增大。

4 結(jié)語

（1）基于SYSWELD軟件，建立了TC4鈦合金加強壁板的激光焊接三維有限元仿真模型。（2）基于此三維有限元仿真模型，可以對TC4鈦合金加強壁板的激光焊接過程進行仿真，且可以對溫度場、應(yīng)力場以及變形趨勢進行預(yù)測。（3）根據(jù)所得的仿真結(jié)果對實際焊接過程中的焊接工藝參數(shù)選擇以及焊接路徑及順序規(guī)劃進行指導(dǎo)。