基于ANSYS平台的堆焊热应力的动态模拟

2023-11-13 来源：九壹网

第28卷　第6期2004年12月

武汉理工大学学报(交通科学与工程版)

JournalofWuhanUniversityofTechnology

(TransportationScience&Engineering)

Vol.28　No.6Dec.2004

基于ANSYS平台的堆焊热应力的动态模拟

王　强1)　李冬林2)

(武汉理工大学材料科学与工程学院1)　武汉　430070)(湖北工学院机械工程学院2)　武汉　430068)摘要:建立适当的有限元模型,对平板堆焊过程中温度场、应力场的瞬态变化以及焊后的残余应力和变形进行动态模拟.利用ANSYS软件的APDL语言编写程序,实现移动焊接热源的施加,并采用生死单元法模拟熔池金属的熔化和凝固.关键词:温度场;应力场;ANSYS;数值模拟中图法分类号:TG4

　　焊接生产中不可避免地会在焊件中产生焊接

热应力.热应力的存在不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷,而且在一定条件下将影响结构的承载能力,如强度,刚度和受压稳定性等[1,2].

文中基于ANSYS平台[3],对平板堆焊时移动热源所形成的温度场、应力场以及焊后的残余应力和变形进行了动态模拟.

　　在弹性区D=De,De为弹性矩阵;在塑性区

D=De

Dep,Dep为弹塑性矩阵.式中:C=

-1

5DeΑ+Ρ;Α为线性膨胀系数;dT为温度

增量.

根据虚位移原理,建立有限元方程的增量表达式

dRe=Ked∆

1　计算模型

1.1　数学模型

式中:单元等效节点力dRe=刚度矩阵Ke=

∃V

BCdTdV,单元

∃V

BDBdV;B为几何矩阵,与单

焊接热源具有局部集中、瞬时运动的特点,这样会形成极不均匀的温度场.这种温度场是形成焊接应力场和残余应力、变形的根本原因.严格地说,温度场与应力场是相互耦合的,但一般应力场对温度场的影响很小,在进行焊接热应力计算时,通常将其忽略,而只考虑温度场对应力场的作用,即先算出温度场,然后再将温度场的结果作为载荷计算应力场和变形.

采用热弹塑性理论,根据等向强化vonMises屈服准则和Prandtl2Reuss流动增量理论推导出材料性质依赖于温度的热弹塑性增量应力应变关系式为

dΡ=DdΕ-CdT

　　　　收稿日期:20040811

　　　　王　强:男,31岁,硕士,主要研究领域为机械结构CAD󰃗CAE

元几何形状有关;dV为体积增量;d∆为温度增量

引起的位移增量.

在热弹塑性分析时有如下假设:塑性区内的行为服从塑性流动准则和强化准则;弹性应变、塑性应变与温度应变是不可分的;不考虑粘性和蠕变的影响;材料为各项同性.1.2　物理模型

模拟计算中采用的试件尺寸为160mm×160mm×6mm,材料为25号钢,电弧中心在I2J

线上沿Y方向移动.实际模型简图如图1所示.　　由于试件沿Y2Z平面左右对称,故取其左半边进行分析.在建立有限元模型时,使距焊缝处大约10mm宽的网格比较细密,而远离焊缝处网格

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王　强等:基于ANSYS平台的堆焊热应力的动态模拟・867・

元令其“死掉”,而低于熔点的单元将其“激活”,这样模拟熔化状态的金属处于零应力状态.

1.2.3　边界条件的处理　焊接过程的边界条件包括温度场分析的边界条件和应力应变分析的边界条件.文中取对称面I2O2K2J为绝热边界条件,其他表面为对流换热表面,初始温度设定为20℃.为了得到自由状态下的残余变形情况,除了在对称面上加对称约束外,还需在E2O线上加

在O2K线上加Z方向的约束、在Y方向的约束、

O2I线上加X方向的约束,这样使得整个板件在无整体刚性位移情况下,其应力和变形得到了自由释放.图1　实际模型简图

稀疏一些.考虑到计算精度和时间的矛盾,将焊缝处的单元大小控制在1mm,在厚度方向(Z轴方向)将单元划分成2层,每层3mm.热分析单元选用八节点六面体单元SOLID70.计算应力场时,将SOLID70单元转化为相应的结构单元SOLID45.1.2.1　定义材料属性　给定25号钢在20℃～2500℃温度范围内各热物理性能参数随温度的2　模拟计算

利用ANSYS软件按上述有限元模型进行焊

接温度场和应力场的动态模拟时,先运用其热分析功能计算整个焊接过程的温度场,然后将温度场的计算结果作为热载荷进行结构的力学分析,得到应力场的整个动态变化过程,其模拟计算的流程图如图2所示.

变化值,并对未知温度范围内的热物理性能参数进行插值.给定材料的热焓来考虑熔化潜热,计算相变问题.焊接热应力的计算属于热弹塑性问题,计算时应指定塑性分析选项为双线性等向强化(BISO),并定义随温度变化的屈服应力和切变模量值.

1.2.2　载荷的处理与施加　焊接热源按表面移动热源处理,其热流密度的分布近似于高斯函数分布.电弧中心沿Y轴移动,试件上某点P的热流密度q(r)为

UIexp(-2Γ2)ΠRΠR

式中:R为电弧有效加热半径;Γ为焊接热效率;U为电弧电压;I为焊接电流;r为P点距电弧中心的距离.

当电弧中心位于Y轴上某点O时,选取以O点为圆心,电弧有效加热半径R为半径的圆面上所有节点,根据给定的焊接参数按高斯函数计算

q(r)=

33r2

出各节点上的热流密度,并将其施加于所选节点上.当电弧中心移动时,重复上述工作,实现移动热源的施加.文中采用ANSYS软件自带的

.APDL语言编写子程序来实现

计算热应力时所施加的载荷就是温度场计算的结果,所以只需读入各节点的温度值即可,但由于焊接过程中熔池区的金属处于熔化状态,其所有的应力应变将消失,所以读入温度载荷时,采用生死单元的方法,即在每一步热应力计算时,将对应的温度场的计算结果进行选择,超过熔点的单

图2　计算流程图

在模拟计算时,采用以下焊接参数:焊接热效率Γ=0.75;电弧电压U=20V;焊接电流I=180A;电弧有效加热半径R=7.1mm;焊接速度v=

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10mm󰃗s.整个求解计算过程共分加热和冷却两

个部分.加热过程共用16s完成,每0.2s为一个时间步长.考虑到要计算焊后的残余变形(即焊件冷却到室温时的变形),这里将冷却时间用了624s.在冷却过程中,将时间步长逐步增大,冷却时间段为0～1s时,时间步长仍取为0.2s,冷却时间段为1～4s时,时间步长取为0.5s,冷却时间段为4～24s,时间步长取为1s,冷却时间段为24～624s,时间步长取为30s.整个计算共占用CPU时间为227548s.

中心线I2J上的各点沿焊接方向的纵向应力分布图.由图可见,熔池部分的应力为零,熔池前承受很大的压应力,压应力区域的前端则逐渐转为拉应力,而熔池尾部为拉应力区.图5为焊板正中间(Y=80mm)与焊缝中心线I2J垂直线上距焊缝0mm,7mm,14mm的3个点在0～27s时间内

的横向应力变化图.由图可见,焊接过程中的焊件上各点的应力变化非常复杂,不过离焊缝较远处的应力变化没有离焊缝近处的应力变化那么剧烈,当焊件逐渐冷却时,各点的应力趋于某一稳定值.

3　计算结果及分析

3.1　温度场的计算结果分析利用ANSYS软件生成动画的功能,显示整

个焊接过程中温度场的变化状况,能很清楚地发现:随着热源的移动,焊件上各点的温度随时间而变化;开始一段时间内,温度很不稳定,而且焊件升温迅速;经过一段时间后,焊件上会形成准稳定温度场,即焊件上各点的温度虽然随时间变化,但各点以固定的温度跟随热源一起移动.图3为焊接时间为1s(曲线1),8s(曲线2),12s(曲线3)时焊缝中心线I2J上沿焊接方向各点的温度分布曲线.由图可见,3条曲线的形状一样,只是所处的时间和位置不同[2,3].

图4　不同时间纵向应力变化曲线

图5　不同点的横向应力变化曲线

3.3　残余应力和变形的计算结果分析

图6是焊后的残余应力分布图,其中a)为焊缝中心线I2J上沿焊缝方向横向和纵向残余应力分布图,b)为焊缝正中间(Y=80mm处)沿I2J

图3　不同时刻的温度分布曲线

3.2　应力场的计算结果分析

图4为焊接时间分别为4s,8s,12s时焊缝

垂直线方向的横向和纵向残余应力分布图.

　　从图6中可知,在焊缝方向的纵向残余应力均是拉应力,而且中部很长一段的拉应力都很大,

图6　横向和纵向残余应力分布图

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而横向残余应力则先是很大的压应力,再为拉应力,而后又转变为很大的压应力.焊缝正中间垂直焊缝截面方向的横向残余应力很小,且均为拉应力,纵向残余应力则是中间部分出现很大的拉应力,两端为压应力.焊接过程中变形的动态变化图如图7所示,为了清楚地显示变形效果,图中将变形放大了20

倍,虚线为焊件原始位置的轮廓形状.从图中可见,在焊接过程中焊缝处受热膨胀,且随着时间的推移膨胀面逐渐增大.因计算时,所加的约束条件仅限制整个焊件不发生整体刚性位移,所以在图中可见焊件变形很明显,特别是角变形和扭曲都很大.

图7　变形的动态变化图参考文献

1　刘　杰,肖金生,覃　峰.陶瓷󰃗金属梯度热障涂层圆

4　结束语1)建立了适当的有限元计算模型,利用过渡

筒的传热与热应力有限差分分析.武汉理工大学学报

(交通科学与工程版),2002,26(3):379～382

2　李冬林,于有生,温家伶等.焊接温度场的三维动态模

网格划分技术得到近焊缝区细密的网格,减少模型的节点数量,大大缩短了计算时间.

2)利用ANSYS软件的APDL语言编写程序,实现了呈高斯函数分布且移动的焊接热源的施加,并用生死单元法模拟熔化状态的金属处于零应力状态,这是实现动态模拟的关键.

3)平板堆焊过程温度场和应力场的动态变化以及焊后的残余应力和变形的模拟计算结果与实际基本一致[4～6].

拟.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2002,26

(5):671～673

3　王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的

实践.西安:西北工业大学出版社,1999.166～178

4　陈　楚.数值分析在焊接中的应用.上海:上海交通

大学出版社,1985.96～246

5　田锡唐.焊接结构.北京:机械工业出版社,1981.1～

6　张文钺.焊接传热学.北京:机械工业出版社,1989,1

～142

DynamicSimulationonTemperatureandStressFieldof

PlateSurfacingBasedonANSYS

WangQiang　LiDonglin

)

(SchoolofMaterialScience&Engineering,WUT,Wuhan430070)1)

(SchoolofMechanicalEngineering,HPU,Wuhan430068)2)

Abstract

Thispaperestablishedproperfiniteelementmodel,carriedondynamicsimulationonplatesurfacing’sweldingtemperaturefield,stressfieldandweldingresidualstressandresidualdeforma2tion,compiledprocedurewithAPDLofANSYStodealwiththemovingheatsource,usedthemethodof“birthanddeath”methodtosimulatetheweldpool’smeltingandfreezing.Keywords:temperaturefield;stressfield;ANSYS;numericalsimulation

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