1、基于实例的焊接强度有限元分析方法的研究郭江建, 罗 ? 阳, 刘胜青, 杨志华( 四川大学制造学院, 四川 成都 610065)摘? 要: 复杂焊件的强度校核问题, 采用常规的校核方法计算过程将非常复杂, 并且计算结果不可靠, 有时常规的校核方法并不可行, 不能获得有效的结果。有限元分析方法在焊接现象模拟和焊接参数最优化中具有独特的作用, 本文应用有限元分析(FEA) 方法在 ANSYS 软件中对焊件工作环境进行模拟, 通过分析计算获得焊缝截面的应力分布, 从而可以得到可靠的强度校核结果。关键词: 焊件; 强度校核; 有限元分析; 应力; ANSYS中图分类号: TG40? ? ? ? 文献标
2、识码: A? ? ? 文章编号: 1672 ?4984(2006) 03 ?0036 ?03Research on FEA method of weldment intensity based on exampleGUO Jiang ?jian, LUO Yang, LIU Sheng ?qing, YANG Zhi ?hua(College of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)Abstract: For intensity checking problem of
3、 complicatedweldment, it is difficult to get available result with conventional checkingmethod and sometimes it is unfeasible ?Finite Element Analysis has special effect on the simulation of the welding and theoptimization of welding parameters?This paper applied FEA method to simulate function cond
4、ition of weldment?By analyzing andcalculating, the authors found the stress distribution ofwelding line section, andthen had a reliable result ofthe intensity checking?Key words: Weldment; Intensity checking; Finite element analysis; Stress; ANSYS收稿日期: 2005 ?12?05; 收到修改稿日期: 2006 ?02 ?10? ? 在设计焊接构件时,
5、 静载情况下必须进行焊接接头静强度计算, 动载情况下必须进行焊接接头疲劳强度计算。对于简单的焊接件( 焊缝规则) , 可以采用材料力学公式和相应的强度理论进行手工计算, 校核其静强度或疲劳强度, 但是对于复杂的焊接件( 焊缝多而不规则) , 如果采用常规的计算手段校核其强度, 计算过程将非常复杂, 并且计算结果不可靠, 有时常规的校核方法并不可行, 这就要求采用一种实际可行的计算方法。有限元法是一种数值分析方法, 在焊接现象模拟和焊接参数最优化中具有独特的作用, 这就是: 只要通过少量验证试验证明有限元分析方法在处理某一问题上的适用性, 那么大量的筛选工作便可由计算机进行, 而不必再进行大量的
6、试验工作, 这就大大地节约了人力、 物力和时间,具有很大的经济效益。有限元结构分析方法可以对构件的工作情况进行模拟, 并可以建立构件的实体模型, 通过有限元结构分析获得焊缝处的应力分布以及构件变形。1? 焊接构件的强度校核问题通常焊接件的结构强度检验需要进行大量的实物力学试验, 但是在试验条件不具备的情况下, 则需要通过分析计算进行焊件的强度校核。本文研究的具体问题描述如下:1?1? 焊件结构图 1 是某一设备的轴承支架焊件, 主要有如图所示的几条焊缝。由于整机结构设计的需要, 支架构件的焊缝布局? 不合理 : 焊缝受拉应力, 并处于应力集中的位置, 因此焊件的强度校核显得尤为重要。1?2?
7、构件工作环境图 2 是此构件的工作环境简图: 左右各有一焊接支架, 支架大板通过螺栓与墙板紧固联接, 被完全约束;被支承件为一旋转辊子, 转速 n = 15r? min,辊子工作时最大静质量 1000kg。辊 子装上负载略有偏心, 但由于转速不高, 偏心力折算为静载荷 1960N。因此该焊接构件计算外载荷 G 为11760N。第 32 卷第 3期? 2006 年 5月中国测试技术CHINA MEASUREMENT TECHNOLOGYVol?32? No ?3May, 2006? ? ? ? ?1?3? 需要解决的问题在试验条件不具备的条件下, 分析计算焊缝所受应力, 特别是最大应力的大小和所
8、在位置, 校核此焊接构件强度能否满足设计要求。2? 焊缝强度分析2?1? 构件受力分析其受力简图如图 1 所示, 构件支撑柱面受支反力 F 作用。由于被支撑的回转运动件的转速很低,因此构件受力分析可以按静载进行分析, 确定 F=6000N。图 1 所示的危险焊缝主要受拉力作用, 并且处于应力集中位置, 最易发生断裂, 是重点分析对象。2?2? 分析计算思想分析计算焊缝所受应力的基础是假设构件无焊接残余内应力, 由于焊缝比较复杂, 采用常规的分析计算方法难以获得理想的结果, 因此可以应用有限元结构力学分析方法来分析计算出危险焊缝所受的应力, 计算获取最大应力 ?max的大小和位置, 通过比较 ?
9、max与许用应力 ? 的大小关系, 校验构件强度是否满足设计要求。2?3? 模型简化此构件采用的焊接方法为手工电弧焊, 其焊接特点: 可以获得紧固、 紧密的焊缝, 焊接接头在大多数情况下可以实现与母材等强度。另外焊接件强度分析计算的目的是得到焊缝处的应力分布和大小,这种分析计算并不要求非常精确, 因此可以简化模型为整体式, 也就是采用统一的单元属性。2?4? 有限元结构力学分析类型确定应用 CAE 软件ANSYS 进行结构有限元分析, 根据构件的受力特点, 本问题的分析类型选择结构线性静力分析。应用ANSYS 强大的结构分析功能, 可以快速地计算获得焊缝处的应力分布, 不仅可以校核焊件的结构强
10、度, 更有利的是可以快速实现结构的优化设计以及改进焊接工艺。3? 焊件应力分布的有限元分析计算3?1? 有限元模型建立3?1?1? 焊接支架建模此焊接支架的结构比较复杂, 对于建立复杂的有限元结构线性静力分析模型, 常采用实体建模方式。在ANSYS 环境下对于复杂实体模型的建模操作非常复杂, 因此可在其它建模功能强大的 CAD 软件中建立实体模型, 例如用 Pro? E 建立的此构件的实体模型, 然后通过 ANSYS 命令 Utility Menu| File|Import| Pro? E 读入实体模型, 建立用于 ANSYS 有限元分析的实体模型, 如图 3 所示。3?1?2? 定义单元属性
11、实体模型分析的属性定义主要如下两个方面:! 选定单元类型ANSYS 单元库中有 100中单元类型, 要根据分析问题的物理性质选择单元, 单元一旦选定, 则分析问题的物理环境随之确定。要尽量选择维数低的单元获得预期的结果,即能选择点则不选择线, 能选择线则不选择面, 能选择面则不选择壳等。对于复杂的结构, 为保证计算结果的可靠性, 应考虑建立两个或更多的不同复杂程度的模型。复杂实体模型在结构线性静力分析中常划分为四面体单元, 本问题选择Structural Solid 和Tet 10node92选项。 确定材料属性在ANSYS 所有分析中都必须输入材料属性, 材料属性根据分析问题的物理环境不同而
12、不同。如在结构分析中必须输入材料的弹性模量及泊松比, 在热分析中必须输入导热系数等, 如果在分析中要考虑重力和惯性力, 则必须要输入材料的密度等。对于结构线性静力分析的材料属性定义通常只输入材料的弹性模量 EX 及泊松比 PRXY, 首先选择主菜单的 Preprocessor| Material Props|Material Models 命令进入材料属性窗口, 输入材料的弹性模量和泊松系数:EX= 2?06e11、 PRXY= 0?3。3?1?3? 划分有限元网格! 设置单元尺寸设置单元尺寸也就是确定网格密度, 要根据分析问题的精度和实体模型的尺寸特别是最小型面的尺寸确定合适的网格密度。另外
13、还需要根据计算机的性能确定网格密度, 这一点非常重要, 过于细密,将浪费过多的求解时间, 而且常常导致网格划分失败。 采用自由划分网格方式生成有限元网格网格划分有三种方法: 自由网格划分, 无单元形状限制, 网格也不遵循任何模式, 适合于复杂形状的? ?第 32卷第 3 期? ?郭江建等: 基于实例的焊接强度有限元分析方法的研究? ?37? ? ?面和体的网格划分; 映射网格划分, 要求面和体的形状规 则, 即 必 须 要 满 足 一 定 准 则; 体 扫 掠(VSWEEP) , 可从一边界面网格扫掠贯穿整个体( 该体必须存在且未划分网格) 生成体单元。对构件实体模型进行自由网格划分, 拾取实
14、体模型,生成的网格如图 4 所示。3?2? 施加载荷并求解3?2?1? 施加载荷用户能够将载荷施加在几何模型( 如关键点、 线、 面或体) 或有限元模型( 如节点或单元) 上, 若施加在几何模型,则ANSYS 在求解分析时也将载荷转换到有限元模型上。在分析过程中可以执行施加、删除、 运算和列表载荷等操作。需要根据实际工作情况确定要施加约束的面、线、 点以及施加载荷的面、 线、 点, 根据构件的工作特点在大板的左端面需要施加完全面约束, 在右板的上端面施加面载荷等, 载荷的大小由实际工作状况确定。3?2?2? 求解运算选择PCG迭代求解器: 在Equation Solver 选项组中选择 Pre
15、?condition CG。执行 Solution| Solve?CurrentLS 命令, 开始求解, 出现一个 Solution is done 对话框时单击Close 按钮, 完成求解运算。3. 3 ? 浏览分析结果结构线性静力分析的浏览分析结果一般显示三种结果: 显示变形形状、 显示节点位移云图和显示节点的Von Mises应力云图。节点的Von mises 应力云图如图 5 所示, 通过应力云图可以获得最大( 最小)应力的位置及大小, 最大应力 ?max= 74?728MPa。图5 只是显示板材焊件的表面应力分布云图, 对于焊件的结构力学分析的目的是要获取焊缝处的应力,需要通过工作平
16、面对焊缝进行截面操作, 显示焊缝处的截面应力云图。图 6 是一焊缝的应力分布图,由此图可以获得焊缝截面的应力分布情况, 并可得到此焊缝所受的最大应力为 69?679MPa。4? 焊缝强度校核构件焊缝强度分析的目的是校验焊缝设计及焊接工艺设计是否满足构件的功能设计要求。如果焊缝所受应力打大于其许用应力, 则焊缝和焊接工艺设计不能满足功能要求, 需要优化构件结构, 也就是要重新设计焊缝的布局, 或者改进焊接工艺。4?1? 许用应力计算本问题的许用应力按机械设计手册的计算过程进行计算:接头效率( ?) =接头强度( ?J)焊缝强度( ?W)# 100%?J=? ?W式中: ?J 焊接接头强度(MPa
17、) ;?W 焊缝金属的拉伸和屈服强度( MPa) ;? 强度比( 接头效率或接头类型系数) 。查表得? ?W= 478MPa ? ? ? = 0?55计算获得 ? ?J= 262?9MPa确定安全系数 n: 对于一般质量的材料, 在通常环境和能够确定的工作载荷下工作的构件取 n= 2 2?5, 本问题取 n= 2?5。许用应力 ? ? =?Jn计算获得 ? ? = 105?16MPa( 下转第 142 页)? ?38? ? ? ?中国测试技术? ?2006 年 5月l= 100mmb= 40mmh= 3mm则? I=bh312= 90mm4( 10)下面对数据进行验算: 设货物的质量 m 的极
18、限范围为120kg, 则加在每根梁上的理想载荷 Pi为 200N,加在距离端部 a 处的弯矩值 MM = P % a = 12N % m( 12)在 a 处上下表面, ?为:?=MyI= 200MPa( 13)由于Q235 材料的屈服应力为 ?s= 250MPa, 所以弯矩最大处满足强度要求。4? 标定与测试在称重盘上从 30kg 开始, 每次放置一个 5kg 的砝码, 一直加载到 120kg。记录质量与应变仪读数曲线如图 4 所示。由上图可以看出, 砝码和应变仪测得的应变-质量曲线线性非常好, 所以只要货物上秤就可读得一个应变值, 在上面的曲线上就可找到对应的质量。由于做出来的标定曲线可以采
19、用密集网格坐标表示, 所以体重精度可以达到 0?5kg。5? 结束语本文的设计方案利用电阻应变计作为测量元件, 经济耐用, 并且可以保证一定的精度要求。在进行大量程的衡器设计时, 可以根据实际情况, 调整悬臂梁的数量、 材料、 长度、 贴片位置, 截面尺寸等参数, 因此可以适应多种用途衡器的特殊要求。参考文献 1 ? 杨光友, 周国柱, 等? 数字电位器在平衡电桥测量中的应用仪表 J? 技术与传感器, 2004, 5: 30- 31? 2 ? 李? 昕, 王洪海, 等? 水压下应变测量防护胶附加应变的测定及引出导线的密封J? 中国测试技术, 2003, 29( 1): 3- 4? 3 ? 唐纯
20、谦, 贺建平? 应变式标准测力仪的负荷特性在力值传递中的作用 J? 实用测试技术, 2002, 28(4) : 3- 4, 20?4 ? 潘信吉, 何蕴增, 等 ? 材料力学实验原理及方法M?哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 1995; 1- 73?5 ? 张如一, 沈观林 ? 应变电测与传感器M? 北京: 清华大学出版社, 1999: 5- 108? 6 ? 刘齐茂, 李? 微? 传感器弹性元件的结构优化设计J?技术与传感器, 2004, 6: 3- 6?( 上接第 38 页)4?2? 强度校验通过上述的 ANSYS 有限元分析过程, 分析计算获得危险焊缝处的最大应力:?max= 74?72
21、8MPa校验结果? ?max ?因此构件设计和焊接工艺能够满足构件的功能设计要求。需要注意的是此分析校验过程没有考虑残余应力和其它焊接缺陷的影响, 构件在使用之前需要经过一些消除残余应力的特殊处理, 焊缝需要进行清根等处理以最大限度地减少载荷集中, 并且要求没有焊接缺陷。5? 结束语本文从一个焊件的强度校核实例出发, 应用ANSYS 软件分析计算得到这一实例的焊缝截面的应力分布。结合焊缝强度校核的一般方法获得校核结果: 此焊接构件的焊缝布局设计和焊接工艺设计能够满足构件的功能设计要求。显然, 在试验条件不具备的情况下, 应用有限元分析方法分析计算复杂焊件焊缝截面的应力分布是行之有效的, 并且把
22、先进的 FEA 方法同常规的焊缝强度校核方法结合起来, 不仅可以减少大量的试验工作, 节约人力、 物力和时间, 而且可以快速地获得理想的结果。参考文献1 ? 刘国庆, 杨庆东?ANSYS 工程应用教程 机械篇M? 北京: 中国铁道出版社, 2003?2 ? 陈伯蠡? 焊接工程欠缺分析与对策M? 北京: 机械工业出版社, 1998?3 ? 易? 日 ? 使用 ANSYS6?1 进行结构力学分析M? 北京: 北京大学出版社, 2002?4 ? 陈? 楚? 数值分析在焊接中的应用M? 上海: 上海交通大学出版社, 1985?5 ? 彭友禄? 焊接工艺M? 北京: 人民交通出版社, 2002?6 ? 田锡唐? 焊接结构M? 北京: 机械工业出版社, 1997? ? 142? ? ?中国测试技术? ?2006 年 5月
