基于ANSYS的平板焊接热-结构耦合场数值模拟_刘奇.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：基于ANSYS的平板焊接热-结构耦合场数值模拟刘奇，田辈辈，赵锋（焦作大学 机电工程学院，河南 焦作 454000）0引言钢结构具有强度大、相对质量轻、塑性延性大及抗震性能好等特点，在实际工程中被广泛使用。钢结构件主要的连接方式为螺栓连接、铆钉连接和焊缝连接，又以焊接最为常见1。相比于其他连接方式，焊接具有结构简单、接头强度大、致密性好、节省金属、生产率高及成本较低等优点。金属构件焊接和冷却过程中，移动热源产生的集中热量在短时间内输入到焊缝的局部区域，使得焊缝和相邻母材区的金相组织结构发生变化而产生应变，最终无法消除的应力便是残余应力2。焊接残余应力影响结构的刚度和稳定性，易导致结构应力腐蚀和开裂、疲劳破坏和脆性断裂，焊接电压、焊接电流、焊接速度、焊接材质、坡口形状等因素同样会影响焊接质量，因此开展焊接模拟分析对于保证实际焊接过程的可靠性、优化焊接工艺具有一定的意义。20世纪30年代，国外学者开始对焊接过程中的应力应变进行分析，然而他们的研究分析也仅局限于实测性的定性分析3。国内对于焊接模拟的数值分析开始相对较晚，赵秋等4利用ANSYS软件，利用有限元思想对苏通大桥桥面板的U肋进行焊接数值模拟及实验测量，获得了焊缝处的残余应力分布情况，并进一步研究了焊件厚度对焊后残余应力的影响。本文利用有限元分析软件ANSYS对平板焊接进行数值模拟，并研究焊接过程中焊缝处的温度变化情况，以及焊接冷却后的残余应力分布情况。1焊接数值模拟过程介绍1.1物理场的选择焊接模拟以弹塑性理论和有限元思想为基础，因同时涉及温度和位移（应力应变）变化，应考虑多场耦合5。目前自然界中存在位移（力）场、热场、流场和电磁场四大物理场，实际物理问题通常是单场或者是多场的耦合，在进行焊接模拟时，涉及到温度和应力的相互作用，应进行热-结构耦合场分析。在利用ANSYS进行热-结构耦合场计算时，通常有两种思路：一是直接耦合法，同时计算焊接过程的温度和应力数值，直接得到二者的结果，该方法适用于耦合场之间具有高度非线性的相互作用的情形，但计算过程耗时较长，计算结果容易不收敛；二是间接耦合法，先得到有限元网格模型中各节点的温度场分布，再以节点温度数据为载荷输入进行热应力计算，该方法更灵活简捷，计算耗时短且结果易收敛6。因此，本文采用间接的热-结构耦合方法进行研究。1.2有限元模型建立和网格划分首先，在ANSYS软件中建立平板三维实体几何模型，如图1所示，设置模型长度为160 mm，宽度为120 mm，厚度为3.5 mm，因为平板厚度较薄，一次焊接过程即可完全填充焊缝空间，因此焊缝选择Y型坡口，坡口角度为60。模型由左侧平板、右侧平板和焊缝三部分构成，焊缝分体式建模便于后续选取等操作。母材和焊缝材料均为镁合摘要：采用ANSYS软件对平板焊接过程进行了数值模拟分析，通过APDL语言编写程序，建立平板对接有限元模型，利用体生热率热源模型和“生死单元”法动态模拟了焊缝金属的熔覆过程，最后对焊接过程的温度-应力耦合场进行了模拟。后处理时，通过选择不同方向上的路径进而得到对应的热结构耦合场中的温度变化曲线和残余应力分布曲线，结果显示与实际焊接过程规律相符，为工程实际中焊接模拟的可靠性分析提供了有益参考。关键词：焊接模拟；ANSYS；有限元分析；热-结构耦合；残余应力中图分类号:TG 406文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08003004Numerical Simulation of Plate Welding Thermal Structural Coupling Field Based on ANSYSLIU Qi,TIAN Beibei,ZHAO Feng(College ofMechanical and Electrical Engineering,JiaozuoUniversity,Jiaozuo454000,China)Abstract:This paper simulates and analyzes the welding process of flat plate using ANSYS software,establishes the finiteelement model of flat plate butt welding using APDL language.The cladding process of weld metal is dynamicallysimulated using the heat source model of bulk heat generation rate and the birth and death element method.Finally,thetemperature stress coupling field of the welding process is simulated.During the post-treatment,the temperature changecurve and residual stress distribution curve in the thermal structure coupling field are obtained by selecting the paths indifferent directions.The results show that it is consistent with the actual welding process,which provides an effectivereference for the reliability analysis of welding simulation in engineering practice.Keywords:welding simulation;ANSYS;finite element analysis;thermal structural coupling;residual stress30机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期金，为使仿真结果更贴近实际，考虑金属熔化时的相变潜热，对材料的热焓值进行了定义，材料各物理性能参数如表1所示。三维有限元模型采用六面体网格划分，如图2所示，焊缝区网格已进行细化，网格细度均匀，便于后续焊缝单元的节点选取和热源加载等操作。网格单元选用热-结构耦合单元 solid70，该单元属于六面体、8 节点的三维实体单元，适用于静态或瞬态热分析，且计算应力场时可以转换为等效的结构单元 solid185。此外，采用“生死单元”法模拟焊接材料的填充及熔覆过程，单元的生、死刚好对应焊缝材料的删除和加入，焊接开始前，先将焊缝处的网格杀死，随着焊接过程中热源的移动，被杀死的网格不断生成7。1.3热源加载与初始边界条件设置本文采用焊接方法为电弧焊，热源模型采用体生热率热源，将热源模型以体载荷的方式加载在模型的网格单元上8。体生热率计算公式为AHGENk U I/（A V TD）。（1）式中：k为热源的热效率；U为焊接电压；I为焊接电流；A为焊缝的横截面积；V为焊接速度；TD为每个载荷步的时间。为保证焊接模拟顺利进行，需对焊接过程进行前提假设：1）假设工件表面光滑平整，无毛刺，尺寸满足实际需要；2）假设工件周围环境温度恒定；3）假设焊接设备能持续输出恒定功率；4）假设焊接过程连续，没有中断操作；5）焊接开始前不进行预热。对模型设置环境温度为25 的初始边界条件。基于热传导理论9，考虑整个系统表面与空气进行对流换热，对整个模型施加对流换热系数，系数大小为1.210-2，如图3所示。1.4稳态分析与瞬态分析焊接模拟是一个非线性的瞬态分析过程，为使整个系统设置初始状态，进行瞬态分析前，需先进行一次稳态分析，让各节点具有初始温度。对整个平板系统进行短时0.001 s的稳态分析，结果如图4所示，可见平板已处于25的初始温度场。焊接过程包括加热和冷却两个部分，共分为26步：第1步为稳态分析，确定模型的初始条件；第2步到21步为焊接瞬态过程，每步1.6 s，共历时32 s；第22步到26步为冷却过程，每步400 s，一共冷却2000 s。瞬态分析时，热源移动通过APDL语言编写命令流，将整个焊缝长度平均分为20段，也就是整个焊接过程分为20个载荷步，每段为一个载荷步，每段的焊接时间为1.6s，段数n的取值决定时间步长。从第一段开始逐段进行加载计算，然后把前一步得到的温度分布作为后一步的初始温度分布，依次对每一步进行加载计算，最终得到整个焊接过程的温度场计算结果。2温度场分析焊接开始和结束时刻，即求解时间为1.6 s和32 s时，温度场分布云图分别如图5、图6所示。从图中可以看到，焊接刚开始时，最高温度为1085.83，此时，热源刚加载作用于模型焊缝区域，热源中心温度已高于材料熔点，说明该焊接工艺条件可以满足起始焊接熔合的需求。焊接刚结束时，最高温度为1366.26，略大于焊接开始时温度，这是由于焊接一定时间后，热量的持续输入，模型温度逐步升高，在恒定的焊接功率下，材料积聚的热量越来越多而造成的。当构件冷却400 s和2000 s时的温度场云图分别如图7、图8所示，当构件冷却400 s时，最高温度为162.07，此时尚未接近常温，需要继续进行冷却计算。结构冷却2000 s后，最高温度已经降低到28.27，接近周围环境温度，材料晶相组织在该温度下不再发生相变，因此可以进行残余应力计算。在焊缝上表面沿焊缝方向选取节点路径为path1，从焊接开始至结束方向依次选取9个节点，观察各节点温度随时间变化情况，在ANSYS软件时间历程后处理器中得到对应曲线，如图9所示。从图中可以看到，各节点初始温度为25，当焊接热源逐步移动到达各节点时，各节点处温度迅速升高，最高温度为1050 左右，然后随着热源远离各节点，节点温度逐渐降低，当冷却2000 s后，最终各节点温度恢复并接近至室温25 左右，说明该温度随时间表1材料参数温度T/密度/（kg m-3）热传导系数/（W m-1-1）比热容C/（J kg-1-1）热焓值/J弹性模量E/105MPa线膨胀系数R/（10-5-1）泊松比251.7983.801.08948.731.071.20.3372001.7992.201.130404.541.011.20.3374001.79105.001.269908.600.851.20.3376001.79117.101.2691362.910.481.20.3378001.79128.741.2692891.210.201.20.33710001.79140.401.2693345.510.201.20.33712001.79140.401.2693799.810.201.20.337图2三维网格划分图4稳态分析后温度场分布图1三维实体模型图3施加对流换热系数31机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：图9沿焊缝方向节点温度随时间变化曲线（a）焊接过程（b）冷却过程变化规律与实际焊接过程相符合。3残余应力分析由于采用间 接 法 进 行热-结构耦合场分析，利用ANSYS软件的间接耦合单元自动转换功能，由温度场转为应力场10。在进行热应力计算前，应力场边界条件设置为对左右两块平板底面施加固定位移约束，然后将热分析过程中每一个载荷步的温度场结果作为输入进行加载，进行残余应力的计算。构件冷却至室温后的应力场云图如图10所示，vonMiss残余应力最大值为136 MPa，其分布主要集中在焊缝开始和结束处的局部区域。这是由于焊接熔池凝固过程中，焊缝及临近区域产生较大的热梯度，受热膨胀系数的影响，材料内部晶体结构之间互相拉压产生塑性变形成了最终的残余应力。分别做出路径1（沿焊缝方向）和路径2（水平垂直于焊缝方向）上节点的残余 应 力 分