T型接头焊接温度场与应力场的有限元分析
    

内蒙古工业大学材料学院 德亚莎 董俊慧

[摘要] 本文以热-弹塑性理论为基础,建立了T型接头焊接温度场和应力场三维有限元分析模型,考虑了材料的热物理性能和力学性能随温度而变化,即材料非线性,利用ANSYS有限元软件模拟计算出实际焊接过程的温度场和焊接应力场的分布规律,以便对实际生产提供指导。

[关键词] T型接头;ANSYS;温度场;应力场

焊接广泛应用于船舶、容器、海洋平台、钢制桥等。焊接结构有许多优点,如高效连接性,水密性和低制作成本。结构件在焊接过程中,焊缝中心处温度可达1500℃以上,在构件中产生局部高温和不均匀温度场。由于焊缝附近构件上的瞬态温度场的梯度大,造成构件在冷却过程中收缩率不一致,使得在焊缝及其附近区域产生了残留的拉伸应力,由此形成焊接变形和焊接残余应力。这种焊接变形和残余应力的存在,会影响钢结构的建造质量及疲劳强度[1]。

本文针对低碳钢角接焊时,选用单元内部生热的热源模型,建立三维的温度场有限元数值分析模型,并考虑材料的非线性,采用热弹塑性有限单元法,研究T型接头焊接过程瞬态温度场、瞬态热应力和残余应力以便为实际生产提供指导。

1 焊接模型及分析方法

1.1 热应力耦合模型

利用ANSYS有限元软件模拟T型接头角焊的温度场和应力场,选取8节点六面体SOLID70单元进行间接耦合分析。

采用间接耦合分析的实质是先采用ANSYS热分析模块,对焊接模型进行瞬态热分析以模拟焊接加热及冷却过程,即对焊缝区单元的生成以及对整个焊缝区的求解;之后转入ANSYS 结构分析模块,对模型进行约束以及加载边界条件等,将热分析结果当作体载荷加载到模型上;最后求解得到残余应力[2-3]。

1.2 单元的生死功能应用

为了模拟真实焊接过程,采用AN- SYS单元的生死功能,即在计算前,焊缝处单元全部作为死单元,当焊料单元被焊上去时,单元即由死变为生。所谓单元死的效果,ANSYS软件并不是将杀死的单元从模型中删除,而是将其刚度、传导或其他分析特征矩阵乘以一个很小的因子,因子的默认值为1.0E-6,也可以赋予其他数值。死单元的单元载荷将为0,从而不对载荷向量生效,但仍然在单元载荷的列表中出现。在求解的时候确定每一时刻的载荷的位置和大小,载荷移动到下一个载荷步的时候,上一个载荷步的载荷要被去掉。同样,死单元的质量、阻尼、比热或其他类似效果也设为0值, 死单元的质量和能量将不包括模型求解结果中,单元的应变杀死的同时也设为0。当一个单元出生时,即被激活, 其刚度、质量、单元载荷等将恢复原始的数值。

1.3 热源模拟

根据焊接实际情况选用单元内部生热的热源模式,即焊接热源通过假定焊缝单元的内部热生成施加到焊缝上,将有效的热输入量换算成焊缝单元在单位体积、时间上的热生成强度。

Q=ηUI/V

式中,η为电弧热效率;U为焊接电压(V);I为焊接电流(A);v为焊缝单元的体积(m3)。

通常假定热量均匀施加在焊缝单元上,作内部热源处理。由于焊缝是随着电弧的移动逐步填充上去的,尚未填充部分的单元假定为虚单元。在虚单元中给以极小的热系数数值,直至填充焊缝转化为实单元时为止[4]。

1.4 有限元模型

T型接头试件的尺寸为:翼板为:100mm×60mm×6mm,腹板为:60mm ×60mm×6mm,在T型材角接焊中,由于其对称性,沿焊缝处取一半对称模型进行计算和分析。其有限元模型如图1。为了保证计算精度在靠近焊缝处采用加密网格,网格大小控制在2mm, 在远离焊缝处采用较疏的网格,其分析路径如图2所示。

2 热载荷及瞬态温度场

2.1 焊接参数

电弧电压U=25V;焊接电流I=180 A;焊接速度v=10mm/s;焊接热效率η=0.7。焊接材料为低碳钢,其材料性能[5]如附表所示。

2.2 瞬态温度场计算结果

图3为不同焊接时刻的瞬态温度场, 图4为沿path1路径2s、4s 、6s时刻的温度分布曲线。焊接时间为6s,冷却所用时间为1800s。

由图可见,随着焊接热源的移动, 熔池随之移动,温度场的分布也发生变化。在焊接过程中,焊接中心温度最高达到2000℃,焊接完毕后温度从热源中心迅速扩散,最高温度迅速下降,在50s时刻最高温度仅为209℃左右。

2.3 应力场计算结果

图5为不同时刻的应力云图,图6 为沿path2路径各点纵向和横向残余应力分布曲线。

由图可见,在焊接开始时最大的热应力发生在热源处,由于在焊接过程中热源中心处的温度超过了金属熔点,因此该处的应力为0即为熔池。熔池前承受较大的压应力,而熔池末端为拉应力区。由图6可知,在焊缝方向的纵向残余应力为拉应力,且中间很长一段的拉应力都较大,达到250MPa。而横向残余应力则先是压应力,再为拉应力,最后又转变为压应力。

3 结束语

随着焊接热源的移动,熔池随之移动,温度场的分布也发生变化。在焊接过程中最高温度随热源不断移动。在加热过程中,焊缝区域受热膨胀,在受到较冷区域的约束,形成塑性热压缩,产生压应力;在冷却过程中,焊缝区域冷却收缩,形成最终的拉伸应力。拉应力在焊缝处最大,对于构件的承载和抗疲劳性能不利,故在实际焊接过程中应采取有效措施进行控制。

参考文献

[1] 倪强,王乘,黄玉盈等. 焊接过程的耦合三维热弹塑性有限元分析.华中理工大学学报,1997,25(1): 84~85

[2] 陈丽敏,陈思作. 基于ANSYS软件的焊接工字形截面梁残余应力的有限元分析[J].steel construction, 2003, 18(2).

[3] 武传松. 焊接过程的计算机模拟. 第十次全国焊接学术会议IT与焊接专题会议, 2001. 10.

[4] 汪建华,戚新海,钟小敏. 三维瞬态焊接温度场的有限元模拟. 上海交通大学学报, 1996, 30(3): 120~125

[5] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册(第一卷): 焊接方法及设备[M]. 北京: 机械工业出版社.1995

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    收录时间:2014年04月16日 22:22:40 来源:未知 作者:匿名
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