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2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-br5w05v.cn 來源:仿真在線
作者: 張洪才 來源: e-works
關鍵字: 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軟件對焊接過程做了模擬。計算表明,焊接后的最大的殘余應力分布在焊縫處,這為實際的焊接過程控制提供了一定的指導。
1 引言
焊接結構一個很明顯的特點是有較大的焊接應力和變形。由于焊接生產中,絕大部分焊接方法都采用局部加熱,所以不可避免地將產生焊接應力和變形。焊接應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構的承載能力,如強度,剛度和受壓穩(wěn)定性。除此以外還將影響到結構的加工精度和尺寸穩(wěn)定性。以往,對焊接溫度場、應力和變形的分析都是通過實驗的方法測量并采集數(shù)據(jù),進行定量的分析。由于受實驗各方面的限制,所得數(shù)據(jù)的精確度并不高而且浪費大量的人力、物力和時間。雖然這類問題可通過解析方法,求解某些特定的微分方程組來進行定量計算,然而,只有在十分簡單的情況下并且作許多簡化的假設,才有可能求得這些方程閉和的解析解。而實際的焊接問題多種多樣,邊界條件十分復雜,用解析方法來求解這類微分方程是十分困難的。在高速電子計算機發(fā)展的今天,大多采用數(shù)值模擬的方法。因此,在設計和施工時充分考慮焊接應力和變形這一特點是十分重要的?？梢?對焊接應力和變形進行計算和分析有很重要的現(xiàn)實意義。
本文針對低碳鋼薄板焊接時,應用高斯分布熱源模型,建立了三維薄板堆焊的溫度場有限元數(shù)值分析模型,并以此為基礎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程的瞬態(tài)溫度場、瞬態(tài)熱應力和殘余應力。
2 焊接模擬相關理論
2.1 非線性熱傳導分析的基本原理
焊接是一個局部快速加熱到高溫,并隨后快速冷卻的過程。隨著熱源的移動,整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化,材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化,同時還存在熔化和相變時的潛熱現(xiàn)象。因此,焊接溫度場分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導問題。
非線性瞬態(tài)熱傳導問題的控制方程為:
(1)
式中: c為材料比熱容; (2)
式中: 為傳導矩陣,包含熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù);
[K]為比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內能的增加;
[C]為節(jié)點溫度向量;
[T]為溫度對時間的導數(shù);
[T]為節(jié)點熱流率向量,包括熱生成;
{Q}因為焊接過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 焊接應力和變形的分析理論
由于高度集中的瞬時熱輸入,在焊接過程中和焊后將產生相當大的焊接應力和變形。焊接應力和變形計算是以焊接溫度場的分析為基礎,同時考慮焊接區(qū)組織轉變對應力應變場帶來的影響。熱彈塑性分析是在焊接熱循環(huán)過程中通過一步步跟蹤熱應變行為來計算熱應力和應變的,該方法需要采用有限元計算方法在計算機上實現(xiàn)采用這種方法可以詳盡地掌握焊接應力和變形的產生及發(fā)展過程。隨著大型有限元軟件的開發(fā)并取得了良好的效果,這種方法被越來越多的學者采用。本文也是基于此理論,借助于有限元軟件在計算機上實現(xiàn)對焊接應力和變形的模擬研究的。
2.3.1 熱彈塑性分析的特點和假定
熱彈塑性問題是一個熱力學問題。作為熱力學系統(tǒng)的焊接材料,其自由能密度不僅與應變有關,而且還與溫度有關。也就是說,力學平衡方程中有與溫度有關的項。從能量上看,輸入的熱能在使焊接材料溫度上升的同時,還由于結構的膨脹變形做功而消耗一部分。這時,在熱傳導平衡方程中,要增加與應力有關的項。因此,嚴格的說,溫度場與應力場是相互藕合的。這從圖3-1和圖3-2能很清楚的看到。不過這種禍合效果除個別特殊情況外,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變化很大,這種影響與上述耦合效應相比要大得多。所以就焊接的熱彈塑性而言,取非禍合的應力場和溫度場是合適的。
在熱彈塑性分析時有如下一些假定:
(1)材料的屈服服從米賽斯(Von Mises)屈服準則;
(2)塑性區(qū)內的行為服從塑性流動準則和強化準則;
(3)彈性應變、塑性應變與溫度應變是不可分的;
(4)與溫度有關的力學性能、應力應變在微小的時間增量內線性變化。
2.3.2 屈服準則
屈服準則是一個可以用來與單軸測試的屈服應力相比較的應力狀態(tài)的標量表示。因此,知道了應力狀態(tài)和屈服準則,程序就能確定是否有塑性應變產生。在多軸應力狀態(tài)下,屈服準則可以用下式來表示:
(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算焊接溫度場時應用較多。在電弧挺度較小、對熔池沖擊力較小的情況下,運用這種模型能得到較準確的計算結果。
2.5 潛熱處理
焊接過程中,母材熔化時,由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),要吸收能量,反之熔池凝固時由液態(tài)變成固態(tài),要放出熱量,所以在計算溫度場時,要考慮熔池相變潛熱對溫度場的影響。否則計算結果會有較大偏差。對于固態(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。但在高強鋼焊接時必須考慮其影響。ANSYS在考慮潛熱時引入焓,其數(shù)學表達式:
(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動,因此在計算時去模型的一半進行研究。其有限元模型如圖1。本文采用間接法計算薄板的熱應力問題,使用solid70進行熱計算,使用solid45進行應力計算。為了保證計算精度在靠近焊縫10mm處采用加密網(wǎng)格,網(wǎng)格大小控制在1mm,在遠離焊縫處采用較疏的網(wǎng)格。
1 2
為了研究焊接過程中,薄板的溫度場和應力場變化的規(guī)律,本文選取了圖2所示的8個考察點1到4點為焊縫中心的點;5到8點為到焊縫一定距離的點。
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
其熱計算和應力計算結果如下:
3 0.2s4 5s 
5 10s6 20s
圖3到圖8給出了不同時刻的溫度場云圖,從圖中可以看出焊接時間為10s,冷卻時間為990s。在焊接過程中,焊接中心溫度最高達到2100度,焊接完畢后溫度從熱源中心迅速向對點擴散,最高溫度迅速下降,在20s時刻最高溫度僅為270度左右,在500s時刻最高溫度僅有48度,而且最高溫度和最低溫度相差僅1度說明薄板的溫度場迅速達到一致。
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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軟件對焊接過程做了模擬。計算表明,焊接后的最大的殘余應力分布在焊縫處,這為實際的焊接過程控制提供了一定的指導。 |
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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個考察點熱應力與時間的關系圖。由圖19可知:焊縫處的四個點的熱應力隨時間變化都比較劇烈,尤其是2、3和4點處更是大起大落,在焊接結束后,焊縫處的熱應力繼續(xù)升高,直到一個穩(wěn)定值并且這個穩(wěn)定值四個點基本相同。從圖21和22可以看出,5到8點在焊接過程中除了5點的熱應力變化波動大,其他三個點都是升高趨勢,在焊接結束后,四個點的熱應力都在下降,且8點下降的最為明顯。
19 1-420 1-4
4 結論
由以上分析和計算可得出以下結論:
(1)使用ansys可以很好的模擬焊接這個復雜的過程。
(2)在焊接過程中最高溫度隨熱源不斷移動,且和熱源的速度有一定的關系。
(3)殘余的應力在焊縫處最大,這對實際工程是不利的,因此在實際工程中要加以控制。
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