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2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
作者: 張洪才 來(lái)源: e-works
關(guān)鍵字: CAE 焊接 ansys 模擬
本文建立了薄板焊接有限元模型,采用高斯熱源并利用ansys軟件對(duì)焊接過(guò)程做了模擬。計(jì)算表明,焊接后的最大的殘余應(yīng)力分布在焊縫處,這為實(shí)際的焊接過(guò)程控制提供了一定的指導(dǎo)。
1 引言
焊接結(jié)構(gòu)一個(gè)很明顯的特點(diǎn)是有較大的焊接應(yīng)力和變形。由于焊接生產(chǎn)中,絕大部分焊接方法都采用局部加熱,所以不可避免地將產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力和變形不但可能引起熱裂紋、冷裂紋、脆性斷裂等工藝缺陷,而且在一定條件下將影響結(jié)構(gòu)的承載能力,如強(qiáng)度,剛度和受壓穩(wěn)定性。除此以外還將影響到結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸穩(wěn)定性。以往,對(duì)焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形的分析都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)量并采集數(shù)據(jù),進(jìn)行定量的分析。由于受實(shí)驗(yàn)各方面的限制,所得數(shù)據(jù)的精確度并不高而且浪費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。雖然這類(lèi)問(wèn)題可通過(guò)解析方法,求解某些特定的微分方程組來(lái)進(jìn)行定量計(jì)算,然而,只有在十分簡(jiǎn)單的情況下并且作許多簡(jiǎn)化的假設(shè),才有可能求得這些方程閉和的解析解。而實(shí)際的焊接問(wèn)題多種多樣,邊界條件十分復(fù)雜,用解析方法來(lái)求解這類(lèi)微分方程是十分困難的。在高速電子計(jì)算機(jī)發(fā)展的今天,大多采用數(shù)值模擬的方法。因此,在設(shè)計(jì)和施工時(shí)充分考慮焊接應(yīng)力和變形這一特點(diǎn)是十分重要的?？梢?jiàn),對(duì)焊接應(yīng)力和變形進(jìn)行計(jì)算和分析有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本文針對(duì)低碳鋼薄板焊接時(shí),應(yīng)用高斯分布熱源模型,建立了三維薄板堆焊的溫度場(chǎng)有限元數(shù)值分析模型,并以此為基礎(chǔ)考慮了材料的非線性采用熱彈塑性有限單元法,得到了薄板的焊接過(guò)程的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、瞬態(tài)熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力。
2 焊接模擬相關(guān)理論
2.1 非線性熱傳導(dǎo)分析的基本原理
焊接是一個(gè)局部快速加熱到高溫,并隨后快速冷卻的過(guò)程。隨著熱源的移動(dòng),整個(gè)焊件的溫度隨時(shí)間和空間急劇變化,材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化,同時(shí)還存在熔化和相變時(shí)的潛熱現(xiàn)象。因此,焊接溫度場(chǎng)分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題。
非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問(wèn)題的控制方程為:
(1)
式中: c為材料比熱容; (2)
式中: 為傳導(dǎo)矩陣,包含熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù);
[K]為比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加;
[C]為節(jié)點(diǎn)溫度向量;
[T]為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù);
[T]為節(jié)點(diǎn)熱流率向量,包括熱生成;
{Q}因?yàn)楹附舆^(guò)程中材料熱性能隨溫度變化,如K(T),C(T)等;邊界條件隨溫度變化,如h(T)等;含有非線性單元;考慮輻射傳熱;非線性熱分析的熱平衡方程為:
(3)
2.3 焊接應(yīng)力和變形的分析理論
由于高度集中的瞬時(shí)熱輸入,在焊接過(guò)程中和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力和變形計(jì)算是以焊接溫度場(chǎng)的分析為基礎(chǔ),同時(shí)考慮焊接區(qū)組織轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)帶來(lái)的影響。熱彈塑性分析是在焊接熱循環(huán)過(guò)程中通過(guò)一步步跟蹤熱應(yīng)變行為來(lái)計(jì)算熱應(yīng)力和應(yīng)變的,該方法需要采用有限元計(jì)算方法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)采用這種方法可以詳盡地掌握焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生及發(fā)展過(guò)程。隨著大型有限元軟件的開(kāi)發(fā)并取得了良好的效果,這種方法被越來(lái)越多的學(xué)者采用。本文也是基于此理論,借助于有限元軟件在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接應(yīng)力和變形的模擬研究的。
2.3.1 熱彈塑性分析的特點(diǎn)和假定
熱彈塑性問(wèn)題是一個(gè)熱力學(xué)問(wèn)題。作為熱力學(xué)系統(tǒng)的焊接材料,其自由能密度不僅與應(yīng)變有關(guān),而且還與溫度有關(guān)。也就是說(shuō),力學(xué)平衡方程中有與溫度有關(guān)的項(xiàng)。從能量上看,輸入的熱能在使焊接材料溫度上升的同時(shí),還由于結(jié)構(gòu)的膨脹變形做功而消耗一部分。這時(shí),在熱傳導(dǎo)平衡方程中,要增加與應(yīng)力有關(guān)的項(xiàng)。因此,嚴(yán)格的說(shuō),溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)是相互藕合的。這從圖3-1和圖3-2能很清楚的看到。不過(guò)這種禍合效果除個(gè)別特殊情況外,一般都很小,而且焊縫附近的溫度變化很大,材料的各種物理性能也相應(yīng)變化很大,這種影響與上述耦合效應(yīng)相比要大得多。所以就焊接的熱彈塑性而言,取非禍合的應(yīng)力場(chǎng)和溫度場(chǎng)是合適的。
在熱彈塑性分析時(shí)有如下一些假定:
(1)材料的屈服服從米賽斯(Von Mises)屈服準(zhǔn)則;
(2)塑性區(qū)內(nèi)的行為服從塑性流動(dòng)準(zhǔn)則和強(qiáng)化準(zhǔn)則;
(3)彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變與溫度應(yīng)變是不可分的;
(4)與溫度有關(guān)的力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變?cè)谖⑿〉臅r(shí)間增量?jī)?nèi)線性變化。
2.3.2 屈服準(zhǔn)則
屈服準(zhǔn)則是一個(gè)可以用來(lái)與單軸測(cè)試的屈服應(yīng)力相比較的應(yīng)力狀態(tài)的標(biāo)量表示。因此,知道了應(yīng)力狀態(tài)和屈服準(zhǔn)則,程序就能確定是否有塑性應(yīng)變產(chǎn)生。在多軸應(yīng)力狀態(tài)下,屈服準(zhǔn)則可以用下式來(lái)表示:
(4)
其中 (5)
其中: (6)
其中: (7)
式中:
(8)
這種熱源模型在用有限元分析方法計(jì)算焊接溫度場(chǎng)時(shí)應(yīng)用較多。在電弧挺度較小、對(duì)熔池沖擊力較小的情況下,運(yùn)用這種模型能得到較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。
2.5 潛熱處理
焊接過(guò)程中,母材熔化時(shí),由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),要吸收能量,反之熔池凝固時(shí)由液態(tài)變成固態(tài),要放出熱量,所以在計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí),要考慮熔池相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響。否則計(jì)算結(jié)果會(huì)有較大偏差。對(duì)于固態(tài)相變,由于其潛熱一般比固液相變潛熱小很多,通常將其忽略。但在高強(qiáng)鋼焊接時(shí)必須考慮其影響。ANSYS在考慮潛熱時(shí)引入焓,其數(shù)學(xué)表達(dá)式:
(9)
3 建立模型和求解
模型尺寸為100×100×6,電弧在鋼板中間沿直線運(yùn)動(dòng),因此在計(jì)算時(shí)去模型的一半進(jìn)行研究。其有限元模型如圖1。本文采用間接法計(jì)算薄板的熱應(yīng)力問(wèn)題,使用solid70進(jìn)行熱計(jì)算,使用solid45進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。為了保證計(jì)算精度在靠近焊縫10mm處采用加密網(wǎng)格,網(wǎng)格大小控制在1mm,在遠(yuǎn)離焊縫處采用較疏的網(wǎng)格。
1 2
為了研究焊接過(guò)程中,薄板的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)變化的規(guī)律,本文選取了圖2所示的8個(gè)考察點(diǎn)1到4點(diǎn)為焊縫中心的點(diǎn);5到8點(diǎn)為到焊縫一定距離的點(diǎn)。
焊接參數(shù)如下:
電弧電壓U=15V;焊接電流I=1580A;焊接速度v=10m/s;焊接熱效率
其熱計(jì)算和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下:
3 0.2s4 5s 
5 10s6 20s
圖3到圖8給出了不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖,從圖中可以看出焊接時(shí)間為10s,冷卻時(shí)間為990s。在焊接過(guò)程中,焊接中心溫度最高達(dá)到2100度,焊接完畢后溫度從熱源中心迅速向?qū)c(diǎn)擴(kuò)散,最高溫度迅速下降,在20s時(shí)刻最高溫度僅為270度左右,在500s時(shí)刻最高溫度僅有48度,而且最高溫度和最低溫度相差僅1度說(shuō)明薄板的溫度場(chǎng)迅速達(dá)到一致。
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本文建立了薄板焊接有限元模型,采用高斯熱源并利用ansys軟件對(duì)焊接過(guò)程做了模擬。計(jì)算表明,焊接后的最大的殘余應(yīng)力分布在焊縫處,這為實(shí)際的焊接過(guò)程控制提供了一定的指導(dǎo)。 |
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7 500s8 1000s
13 0.2s14 5s   17 500s18 1000s
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圖19到圖22給出了8個(gè)考察點(diǎn)熱應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系圖。由圖19可知:焊縫處的四個(gè)點(diǎn)的熱應(yīng)力隨時(shí)間變化都比較劇烈,尤其是2、3和4點(diǎn)處更是大起大落,在焊接結(jié)束后,焊縫處的熱應(yīng)力繼續(xù)升高,直到一個(gè)穩(wěn)定值并且這個(gè)穩(wěn)定值四個(gè)點(diǎn)基本相同。從圖21和22可以看出,5到8點(diǎn)在焊接過(guò)程中除了5點(diǎn)的熱應(yīng)力變化波動(dòng)大,其他三個(gè)點(diǎn)都是升高趨勢(shì),在焊接結(jié)束后,四個(gè)點(diǎn)的熱應(yīng)力都在下降,且8點(diǎn)下降的最為明顯。
19 1-420 1-4
4 結(jié)論
由以上分析和計(jì)算可得出以下結(jié)論:
(1)使用ansys可以很好的模擬焊接這個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。
(2)在焊接過(guò)程中最高溫度隨熱源不斷移動(dòng),且和熱源的速度有一定的關(guān)系。
(3)殘余的應(yīng)力在焊縫處最大,這對(duì)實(shí)際工程是不利的,因此在實(shí)際工程中要加以控制。
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