季 鵬 ，吳 冬 ，殷晨波，蔣國進，戴晴華

(1.南京工業(yè)大學(xué) 車輛與工程機械研究所，江蘇 南京 210009；2.三一重機有限公司，江蘇 昆山 215300)

0 前言

焊接熱過程是影響焊接質(zhì)量的重要因素之一，它包括電弧物理、金屬相變、傳熱和力學(xué)等復(fù)雜過程，由于焊接的高度集中熱輸入，焊件在冷卻之后容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和變形，會影響焊件裝配工藝和使用性能。在此運用ANSYS有限元軟件對鏟斗體進行焊接過程的模擬，先進行溫度場的分析，然后利用熱-力耦合方法，計算得到鏟斗應(yīng)力場的分布規(guī)律。

1 計算流程

焊接有限元分析主要是溫度場和應(yīng)力場分析，運用APDL編程首先分析焊接溫度場，然后將溫度場所得到的節(jié)點作為體載荷，加載到應(yīng)力場分析中，計算得到應(yīng)力場結(jié)果，其整體計算流程如圖1所示。

圖1 焊接過程模擬流程Fig.1 Welding process simulation flow chart

1.1 模型的建立

液壓挖掘機鏟斗體由三維繪圖軟件Pro／E建立，然后保存iges導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS中進行有限元網(wǎng)格劃分，其有限元模型及坡口形式如圖2和圖3所示。

圖2 鏟斗體幾何模型Fig.2 Geometric model of bucket body

圖3 焊縫坡口形式Fig.3 structure of weld groove

1.2 材料高溫性能參數(shù)

液壓挖掘機鏟斗體的材料為HG70，是一種高強度工程用鋼，抗拉強度為700 MPa，材料的熱力學(xué)性能和溫度有關(guān)，且呈現(xiàn)非線性，在ANSYS中，運用mptemp和mpdata命令建立材料在溫度下的參數(shù)，高溫處的物理性能保持不變[1-2]。

1.3 焊接熱源的處理與施加

運用內(nèi)生熱的加載方式來模擬焊接熱源，通過ANSYS中的生死單元技術(shù)來實現(xiàn)焊接材料不斷填充焊縫的過程，先將焊縫有限元單元的剛度矩陣乘以一個很小的因子，近似為0，開始進行焊縫填充時，利用*DO-*ENDO命令激活相應(yīng)的單元，并對其加載[3]。

1.4 相變影響

焊接過程中存在固液相變問題，則需考慮相變潛熱，在其變化過程中吸收和釋放熱量，當(dāng)材料溫度超過熔點或者相變點時，在ANSYS中根據(jù)材料隨溫度變化的焓來考慮相變潛熱[4]，即式中 H為熱焓；ρ為密度；c（T）為比熱函數(shù)；T為絕度溫度。

1.5 邊界條件

焊接過程的邊界條件包括溫度場分析的邊界條件和應(yīng)力應(yīng)變分析的邊界條件[5]。將試件上下表面及周圍邊界當(dāng)作換熱邊界條件處理，即

式中 n為邊界表面外法線方向；α為表面換熱系數(shù)，取常數(shù)為 10 W／(m2·K)；Ta為焊件溫度；T0為環(huán)境溫度，取室溫20℃。進行應(yīng)力應(yīng)變分析時，在底板上和立板內(nèi)外側(cè)施加固定約束防止其移動，起到夾具的作用。

1.6 求解計算

首先進行溫度場求解，焊接溫度場的分析屬于典型的非線性瞬態(tài)傳導(dǎo)問題，在ANSYS中，采用牛頓-拉普森法，進行平衡迭代的同時修正剛度矩陣，打開自動時間步長，如果不收斂則會自動減小迭代步長，直至達到收斂。然后采用etchg、tts命令將熱分析單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元，用ldread命令讀入，計算求解焊接應(yīng)力場。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場

焊接溫度場結(jié)果是應(yīng)力場結(jié)果的基礎(chǔ)，同時溫度場對應(yīng)力場分布規(guī)律有著直接的影響，在后處理中，焊接溫度場在進行蓋面焊時，最高溫度達到1662℃，如圖4所示。

圖4 溫度分布云圖Fig.4 The temperature distribution

2.2 應(yīng)力場

選取立板外側(cè)對焊接應(yīng)力場進行分析，圖5為從焊縫起點o開始沿著焊縫方向路徑的縱向應(yīng)力分布規(guī)律，在前半部分表現(xiàn)為拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力在焊接冷卻后，達486.2 MPa。沿著焊縫方向，拉應(yīng)力逐漸減小為零，在后半部分轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，最后又轉(zhuǎn)換為拉應(yīng)力，其中最大壓應(yīng)力達285.7 MPa。

圖5 縱向應(yīng)力分布Fig.5 Vertical stress distribution

圖6為橫向應(yīng)力分布，規(guī)律和縱向應(yīng)力一致，在前半部分應(yīng)力值變化比較平緩且數(shù)值小于縱向應(yīng)力值，僅在焊縫彎曲部分拉應(yīng)力值有較大的變化，最大值為403.5 MPa，在后半部分，最大壓應(yīng)力值達201.6 MPa。

圖6 橫向應(yīng)力分布Fig.6 Lateral stress distribution

圖7 厚度方向應(yīng)力分布Fig.7 Thickness direction stress distribution

圖7為厚度方向應(yīng)力分布，在前半部應(yīng)力值呈現(xiàn)兩端達到極大值，分別為 225.6 MPa 和 334.8 MPa，中間走勢較為平緩且應(yīng)力值不大；在后半部分表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值達205.5 MPa。

3 結(jié)論

（1）基于ANSYS軟件平臺，采用內(nèi)生熱的加載方式來模擬焊接熱源，選取適當(dāng)?shù)臒徇吔鐥l件，運用單元生死技術(shù)模擬焊縫的填充整個焊接動態(tài)過程。

（2）運用APDL語言進行參數(shù)化編程，得到了焊接應(yīng)力場分布，并對焊縫關(guān)鍵路徑進行了應(yīng)力場分析。

（3）對鏟斗體關(guān)鍵焊縫進行數(shù)值模擬，提前預(yù)測了結(jié)構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力，為提高試驗時間和優(yōu)化工藝參數(shù)提供了參考價值。

參看文獻：

[1]Tso-Liang Teng，Chih-Cheng Lin.Effect of welding conditions on residual stresses due to butt weld[J].Int.J.Pres.Ves.Piping，1998，7(512)：857-864.

[2]Dong P.Residual stress analysis of a multi-pss Birth weld：3-D special shell versus axisymmetric models[J].Journal of pressure technology ASME，2001(5123)：207-213.

[3]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4]羅金華，梁曉燕.中厚板多道焊溫度場和應(yīng)力場三維數(shù)值模擬[J].電焊機，2006，36(8)：32-35.

[5]朱 潔，戴晴華，殷晨波，等.200噸大型液壓挖掘機動臂體焊接有限元模擬[J].電焊機，2010，40(5)：184-186.