1、北京大学学报( 自然科学版) ， 第 46 卷， 第 6 期， 2010 年 11 月Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis，Vol. 46，No. 6 ( Nov. 2010櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍櫍殻殻殻殻)研究简报Report收稿日期:2009-10-30;修回日期:2010-08-19焊接过程有限元分析高耀东1， 何建霞2乔云芳21. 内蒙古科技大学机械工程学院， 包头 014010;2. 北方重工业集团有限公司机电工具公司， 包头 014030; E-mail:jxxgyd 126. com摘要从简单模型出发， 研究焊接
2、模拟中移动热源、 相变潜热、 材料特性参数、 焊缝的依次生成等问题的处理方法。利用有限元软件对焊接过程的温度场、 残余应力场进行了分析， 计算结果与理论分析一致。其中用到的先计算温度场， 再用间接法计算结构场的方法， 减少了分析的非线性， 极大地提高了计算效率， 该方法在复杂模型中表现更加显著。关键词焊接;有限元模拟中图分类号TP391Finite Element Analysis during WeldingGAO Yaodong1， ，HE Jianxia2，QIAO Yunfang21. College of Mechanical Engineering，Inner Mengolia U
3、niversity of Science and Technology，Baotou 014010;2. Baotou Heavy Industry Tool Mould Manufacture Co. Ltd. ，Baotou 014030; E-mail:jxxgyd 126. comAbstractBased on a simple model，a variety of key issues during the welding simulation were studied about moving heat，latent heat，material parameters. Using
4、 finite element software，the authors analyzed the welding temperature field，residualstress field. Results obtained by theoretical analysis agreed with experimental validation. Especially the method that thetemperature field was calculated firstly and then structural field was calculated by the indir
5、ect method，reduced thenonlinear of the analysis，and improved the computation efficiency greatly. The characteristics performed significantly in thecomplex model.Key wordswelding;finite element simulation焊接技术作为工艺手段， 以其显著的优点广泛地应用于机械制造的各个领域， 但在焊接后的冷却过程中都伴随着明显的焊接变形和残余应力， 直接影响结构安全和工程质量 1。因此正确评估焊接变形和残余应力及
6、对构件承载力的影响十分必要。焊接是一个包括电弧物理、 传热、 冶金和力学的复杂物理、 化学过程， 如果采用实验方法研究， 经常由于影响因素多而导致结果缺乏规律性， 而且时间较长、 成本较高。用有限元法的热结构耦合功能分析焊接过程， 能克服实验法的缺点， 是研究焊接变形与残余应力变化规律的有效方法， 为合理选择焊接方式和工艺参数提供了依据。本文以角焊缝为例， 运用 ANSYS 软件， 首先对焊接结构进行热分析得到温度场，然后将温度场作为结构分析的载荷施加到结构上， 进行结构分析，从而得到焊接过程温度场、 应力场随时间变化情况， 最终获取残余应力和变形的分布规律。1关键问题的处理1. 1结构场的计
7、算方法焊接过程属于顺序耦合场， 由温度场导致结构场， 反过来， 结构场对温度场的影响很小。因此， 可用间接法对焊接过程的结构场进行分析。即首先进行瞬态热分析， 得到焊接过程焊接结构温度场随时间变化情况;然后进行单元转换， 将热单元转换为结构单元， 并把随时间变化的温度场作为载荷施加到结构分析的有限元模型上， 进行瞬态结构分析， 得到焊接过程的变形、 应力随时间变化情况。以上过程不使用耦合单元， 从而减少了计算中的非线性， 对提高计算效率很有好处。7001北京大学学报( 自然科学版)第 46 卷1. 2焊接热源的处理焊接热源是快速移动的点热源， 产生的温度场在时间和空间上梯度很大， 因此在焊接结
8、构中形成了焊接变形与残余应力。为此， 焊接热源模型的建立对焊接分析至关重要。目前， 手工电弧焊等焊接方法一般都采用高斯热源( 图 1) ， 该模型热量主要集中在有效加热半径内部， 符合点热源的特点。图 1高斯热源Fig. 1Gaussian heat source根据高斯热源， 距离加热中心为 r 的点处热流密度分布函数为q( r)=3QR2e3r2R2，( 1)式中 e =2. 71828， R 为有效加热半径，Q 为焊接热功率， Q = UI， U 为焊接电压， I 为焊接电流， 为效率。热流密度是一种面载荷， 用 ANSYS 分析时可以把该载荷施加在单元的诸面上， 单元面上该载荷的大小由
9、该单元面上诸节点的热流密度值定义， 具体命令流如下:SFE，ELEM_NUM，SURFACE_NUM，HFLUX，NODE1_VAL，NODE2_VAL，NODE3_VAL，NODE4_VAL如果一个节点是公共节点， 用式( 1) 计算出的值必须按一定原则分配到各相关单元上。1. 3单元生死技术的使用方法焊缝在焊接开始时并不存在， 而是随着焊接的进行依次逐渐产生的。欲真实地分析这一过程就要用到有限元法的单元生死技术， 即如果在模型中加入材料， 模型中相应的单元就“出生” ;而删除材料时， 相应的单元就“死亡” 2。“单元死亡” 并不是从模型中删除单元， 而是将其单元刚度矩阵乘以一个接近于零的因
10、子， 使其作用效果近似为无。所以分析时， 首先要建立包括焊缝材料在内的整体模型， 模拟焊接前将焊缝单元“ 杀死” ， 随着焊接模拟的进行， 再逐步将焊缝单元重新激活， 相关 ANSYS 命令流为建立整体模型ESEL， S， 所有焊缝单元!选择所有焊缝单元EKILL， ALL!杀死单元ALLSSOLVE* DO， I， 1， N!共 N 个焊缝单元按焊缝生成的顺序每次选择一个单元EALIVE， ALL!激活单元ALLSSOLVE* ENDDO!该循环为焊缝依次生成的过程1. 4材料特性参数的处理瞬态热分析使用的材料特性参数有导热系数、密度和比热。结构分析使用的材料特性参数有杨氏模量、 泊松比、
11、热膨胀系数、 屈服极限和切向模量。这些材料特性参数一般需要通过实验测得。焊接过程中温度从室温变化到 1500 以上， 变化十分剧烈， 而以上材料特性参数都随温度显著变化。所以， 定义材料模型时， 材料特性参数不能取恒定值， 而必须随温度变化。1. 5相变的处理焊接过程有固-液相变， 相变时要产生或吸收相变潜热， 而相变潜热对温度场的影响是十分显著的。ANSYS 处理相变问题采用热焓法， 焓定义:H =c( T) dT，( 2)式中， H 为热焓， 为材料密度， T 为温度， c( T) 为材料的比热容， 是温度的函数。分析时可以输入不同温度下的焓值， 也可以输入材料密度和比热容， ANSYS
12、会按式( 2) 计算相应的焓值。相变膨胀应变可以通过改变热膨胀系数来处理。2分析实例2. 1问题描述图 2钢板焊接Fig. 2Plate welding如图 2 所示， 用 V 形焊缝焊接的两块钢板， 焊缝为 3 层， 每焊完一层后将钢板自然冷却到室温， 然后再焊接下一层焊缝。在分析焊接过程中的温度场基础上， 分析钢板焊接后的残余应力和变形情况。2. 2有限元模型因为模型具有对称性， 所以取一半结构进行分析。要模拟焊缝沿长度方向依次生成， 必须采用三维空间单元进行单元划分。由于焊缝单元一般为细长形状， 单元类型最好用 20 节点六面体单元， 以保证分析具有较高的精度。分析温度场时， 单元类80
13、01第 6 期高耀东等:焊接过程有限元分析型为热单元 SOLID90， 分析结构场时， 单元类型为结构单元 SOLID186。焊缝附近温度变化剧烈宜采用小尺寸的网格划分， 在离焊缝较远的地方采用较大尺寸进行网格划分。为保证焊缝单元依次生成， 三层焊缝对应的单元相对独立， 并且由平面单元沿焊缝方向挤出形成空间单元， 共得到 3460 个单元和10611 个节点， 如图 3 所示。图 3有限元模型Fig. 3Finite element model2. 3分析方法首先建立包括焊缝的整体模型， 然后求解一个载荷步， 将所有焊缝单元“杀死” ， 结果相当于焊前的状态。然后，再求解一系列载荷步， 按顺序
14、将焊缝单元 “激活” ， 以模拟焊缝金属的填充， 同时按式( 1) 计算各节点处的热流密度值， 并在整个模型范围内在单元上施加新的热流密度， 删除前一载荷步施加的旧的热流密度， 以模拟移动热源 3。先对模型进行瞬态热分析得到焊接过程的温度场分布， 然后， 将热分析的温度场作为载荷施加到结构模型上， 进行瞬态动力学分析得到模型的焊接应力和变形。图 4焊缝生成及温度变化情况Fig. 4Weld generation and temperature change2. 4结果分析图 4 为第一道焊缝的生成过程以及相应的结构温度变化情况， 明显具有移动点热源的特点。图 5为第一道焊缝起点处温度变化情况，
15、 可见 3 道焊缝经过该点时温度迅速上升后又迅速下降， 逐渐冷却到室温， 并且温度的最大值是依次下降的。据此，可以认为温度场的有限元结果与理论结果一致， 而由此温 度场 出 发 进 行 的结构场分 析 也 应 该 是 准确的。图 6 为第 3 道焊缝焊接完毕并冷却到室温后结构的残余应力分布情况， 焊缝处残余应力较大， 钢板上只在焊缝附近有残余应力， 而在较远处残余应力为零， 与实际完全符合。图 5焊缝温度随时间变化情况Fig. 5Change of weld temperature with time图 6残余应力Fig. 6Residual stress3结论理论分析证明以上分析结果是正确可
16、信的， 因此对焊接模拟的步骤以及处理一些关键问题的方法是可行的。尤其是先计算温度场、 再用间接法计算结构场的方法， 由于不使用耦合单元而减少了分析的非线性， 极大地提高了分析效率， 该特点在复杂模型中的表现将会更加显著。本文分析的模型比较简单， 但此方法适合各种模型， 具有普遍意义， 可以用于对具体焊接工艺进行分析或指导。参考文献 1 陈玉喜，朱锦洪，石红信，等. 基于 ANSYS 的铝合金薄板焊接温度场三维有限元模拟. 金属铸锻焊技术，2009，38( 9) :88- 90 2 孙英学，孙平. 焊接残余应力有限元分析技术研究.核动力工程，2009，30( 2) :33- 35 3 鲁丽君，白世武，丁红胜. 焊接接头有限元模拟的研究进展. 金属世界，2008( 2) :35- 389001
