蘇薇國, 王培俊, 周冰峰, 吳淑定

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

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平面應(yīng)變模型試驗(yàn)臺焊接變形分析及控制研究

蘇薇國, 王培俊, 周冰峰, 吳淑定

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

摘要：針對傳統(tǒng)平面應(yīng)變模型試驗(yàn)臺下臺面因焊接變形而導(dǎo)致平面度難以保證的問題，提出一種新的解決思路及利用變形補(bǔ)償?shù)男路椒?。利用SYSWELD焊接分析軟件和ANSYS有限元軟件分別計(jì)算模型焊接變形量和靜載變形量，修正焊接工藝和靜載加載位置，使焊接熱變形和靜載變形得到相互補(bǔ)償，從而保證了下臺面的平面度。實(shí)踐證明反變形補(bǔ)償方法相對于傳統(tǒng)的焊后機(jī)加工或者焊后矯正變形的方法具有更高的平面度和更好的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：焊接變形；變形補(bǔ)償；角變形；試驗(yàn)臺

0前言

焊接是現(xiàn)代制造業(yè)中最為重要的材料成形和加工技術(shù)之一，焊接制造技術(shù)的發(fā)展對我國成為制造強(qiáng)國有著極為重要的意義[1]。但焊接過程中容易產(chǎn)生各種焊接變形，不僅影響結(jié)構(gòu)的裝配，更重要的是影響結(jié)構(gòu)的可靠性，因此必須采取措施加以控制[2]。

文中研究的平面應(yīng)變模型試驗(yàn)臺主要是根據(jù)物理相似模擬理論模擬地下隧道襯砌的結(jié)構(gòu)受力，也可按照相似比模擬隧道開挖[3]。試驗(yàn)臺可用于地下工程方面的試驗(yàn)，以便對隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力及破壞形式有更加清晰的認(rèn)識。大多數(shù)科研單位利用試驗(yàn)臺分析地下洞室變形及巖爆，進(jìn)行模擬列車隧道開挖方面的科學(xué)研究[4]。試驗(yàn)過程中，為使相似材料和襯砌模型放在一個準(zhǔn)平面上，必須嚴(yán)格控制焊接變形保證下臺面的平面度，從而盡量減少因試驗(yàn)臺自身結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差。

國內(nèi)外廣泛使用的地質(zhì)模型實(shí)驗(yàn)臺主要存在問題如下：

1) 由于焊接工藝及加工技術(shù)問題使試驗(yàn)臺產(chǎn)生較大的焊接變形，因而難保證相似材料及襯砌模型是在一個平面上。試驗(yàn)時大多是在一個準(zhǔn)平面或者曲面上進(jìn)行，影響試驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。

2) 模型試驗(yàn)臺的裝置尺寸太小，做實(shí)驗(yàn)時需要很大的相似比，實(shí)驗(yàn)后的得出的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況偏差比較大[4,5]。

通過建立下臺面的三維有限元模型，借助ANSYS有限元軟件和大型虛擬焊接軟件SYSWELD，參考計(jì)算出的熱變形和靜載變形結(jié)果，修正焊接工藝和靜載加載位置，控制下臺面的變形，最終達(dá)到熱變形和靜力變形相互補(bǔ)償，保證下臺面上表面的平面度效果。

1有限元模型的計(jì)算

1.1　試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)與單元網(wǎng)格的劃分

圖1為研制的平面應(yīng)變試驗(yàn)臺主體框架結(jié)構(gòu)，下臺面主要用于存放相似材料和襯砌模型，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

圖1　平面應(yīng)變試驗(yàn)臺三維模型

SYSWELD是焊接專業(yè)類CAE軟件，其向?qū)Ъ夹g(shù)可以根據(jù)不同工藝參數(shù)及模擬要求，智能化地選擇所需的求解器進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算分析[6]。用SYSWELD進(jìn)行焊接過程數(shù)值計(jì)算前，網(wǎng)格劃分是十分關(guān)鍵的步驟。首先對有限元模型進(jìn)行簡化，由于試驗(yàn)臺的下臺面是關(guān)于xoz和yoz平面對稱結(jié)構(gòu)，所以導(dǎo)入Visual mesh之前截取下臺面的1/4模型，模型的三維尺寸為1.5m×0.75m×0.45m。劃分網(wǎng)格時，考慮到項(xiàng)目周期及計(jì)算結(jié)果精度，在焊縫區(qū)及近焊縫區(qū)網(wǎng)格劃分較密，其他區(qū)域網(wǎng)格劃分較疏，這樣既可以保證工件關(guān)鍵部位的計(jì)算精度，又可以減少整體的節(jié)點(diǎn)個數(shù)，縮短計(jì)算時間。本文采用三維8節(jié)點(diǎn)六面體單元劃分網(wǎng)格[7]，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為164686個，共129594萬個單元。

1.2　材料性能參數(shù)

試驗(yàn)臺由厚度為16mm的Q345-B鋼板焊接而成，計(jì)算過程中考慮材料物理性能參數(shù)隨溫度變化，所選材料的各種熱物理性能參數(shù)及力學(xué)性能參數(shù)隨溫度變化曲線由SYSWELD自帶數(shù)據(jù)庫給出。Q345-B的導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱、彈性模量、線膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度隨溫度的變化數(shù)據(jù)取自SYSWELD材料數(shù)據(jù)庫。

1.3　焊接方案

設(shè)定焊接方案：焊接方法為手工電弧焊I=160A，U=20V，焊接速度V=2mm/s，焊接線能量為1280J/mm，焊接熱效率η=0.75，模型的三塊肋板開雙面單邊50°V型坡與底板焊接，焊腳高度為8mm，鈍邊2mm，間隙2mm的焊縫形式，外部采用連續(xù)角焊縫[8]結(jié)構(gòu)一共有48條焊縫，焊接時間為2.38h，冷卻時間為4h，所有的焊縫均采用對稱焊的方式焊接計(jì)算。

1.4　模擬結(jié)果及分析

經(jīng)計(jì)算，1/4下臺面的焊接變形結(jié)果如圖2所示。

圖2　焊接總變形云圖

對圖2進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：

1) 焊接產(chǎn)生橫向收縮，使結(jié)構(gòu)尺寸受到影響并造成側(cè)板內(nèi)凹。

2) 三塊組成反力梁的肋板變形趨勢相同，邊上側(cè)板(x=0)變形最大，底面向上鼓起變形，從底部到頂部向上鼓起變形逐漸減小。

3) 底板上焊縫分布較多且密集，焊接斷面大，輸入熱量多，引起結(jié)構(gòu)縱向縮短而使結(jié)構(gòu)在長度方向(y方向)上出現(xiàn)彎曲。

4) 底板變形使得結(jié)構(gòu)平面度不符合技術(shù)要求，模型最大焊接熱變形為5.7mm，且焊接變形形狀近似一個從中間向上凸起的上橢球面。

2試驗(yàn)臺焊接變形控制與形狀補(bǔ)償

2.1　靜力分析計(jì)算

將試驗(yàn)臺的三維模型導(dǎo)入ANSYS中，劃分網(wǎng)格后加載，其中單根反力梁受兩個60T液壓缸的反作用力，受力點(diǎn)的間距為1.3m，如圖3所示。計(jì)算出試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)z方向的變形，如圖4所示。從圖中可以看出結(jié)構(gòu)的下臺面整體向下塌陷，向下最大變形為2.0mm。

圖3　加載結(jié)構(gòu)圖

圖4　靜力加載變形云圖

2.2　平面度的控制

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在zoy平面沿y方向取點(diǎn)，繪制出下臺面最上表面的變形圖，如圖5所示。

圖5　下臺面中間變形平面變形曲線圖

綜合焊接變形與靜力加載變形，試驗(yàn)臺要達(dá)到的目的是利用形狀補(bǔ)償保證下臺面的平面度，而根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，平面處在x=0焊接最大變形比靜載最大變形的絕對值要大2.0mm左右，因此必須通過合理的焊接工藝或受力矯正等方法，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的焊接變形矯正，使焊接變形縮小。本焊接結(jié)構(gòu)在實(shí)際焊接工藝中，焊接近似是三體的箱型結(jié)構(gòu)，肋板和筋板主要是T形焊接，肋板相當(dāng)于翼板，而筋板相當(dāng)于腹板，T形焊縫不可避免地引起底板的角變形[9]。根據(jù)其變形機(jī)理，中間加強(qiáng)筋板的角變形可以采用平衡原理進(jìn)行控制。

用試驗(yàn)臺試驗(yàn)時，試驗(yàn)臺臺面靜載變形得到了有效的補(bǔ)償，最終試驗(yàn)臺平面度在1mm左右，較好地滿足了試驗(yàn)臺下臺面平面度要求。

4結(jié)論

利用變形補(bǔ)償?shù)姆椒?，較好地解決了平面應(yīng)變模型試驗(yàn)臺下臺面因焊接變形而導(dǎo)致平面度難以保證的問題。通過建立試驗(yàn)臺三維模型并導(dǎo)入SYSWELD焊接分析軟件，計(jì)算結(jié)構(gòu)的焊接變形量，利用ANSYS軟件計(jì)算試驗(yàn)臺下臺面在實(shí)際加載情況下的靜力變形，比較分析變形結(jié)果。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，利用焊接角變形平衡原理控制變形，優(yōu)化實(shí)際焊接工藝與設(shè)計(jì)方案，控制下臺面的實(shí)際焊接變形量及變形形狀，使其大小近似于靜力加載后變形量。由于靜力加載變形方向與焊接變形方向相反，二者的變形量得到相互補(bǔ)償，從而保證了下臺面的平面度。實(shí)踐證明通過反變形補(bǔ)償?shù)姆椒?，下臺面的平面度控制在1.0mm之內(nèi)，較好地滿足了試驗(yàn)臺平面度的要求。

參考文獻(xiàn):

[1] 李曉延，武傳松，李午申.中國焊接制造領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展研究[J]．機(jī)械工程學(xué)報，2012,48(6):19-20.

[2] 謝秉順，王興元. 鐵路客車底架牽引梁改進(jìn)及加工工藝[J]．機(jī)械制造與自動化,2013,42(4):76.

[3] 張雨強(qiáng)．一種新型物理相似模擬實(shí)驗(yàn)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D]．西安: 2008:1-6.

[4] 張強(qiáng)勇，李術(shù)才，李勇，等．地下工程模型試驗(yàn)新方法、新技術(shù)及工程應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2012(6):43-44.

[5] 超大型巖土工程三維模型試驗(yàn)系統(tǒng)[P]. 山東大學(xué)，2011.

[6] SYSWELD Engineering Simulation Solution for Heat Treatment and Welding Assembly http://www.convia.fi/files/ESIGroup_brochure.pdf.

[7] 田昕，黎向鋒，左敦穩(wěn)，等. 基于有限元帶隔板雙槽鋼焊接梁焊接仿真優(yōu)化[J]．機(jī)械制造與自動化,2013,38(1):54-57.

[8] 費(fèi)新華, 高國兵. 大型鋼結(jié)構(gòu)件制作中焊接變形控制技術(shù)[J]．2006鋼結(jié)構(gòu)焊接國際論壇文集，2006:144-145.

[9] 中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會．焊接手冊[M]：第3卷．北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1992．

Welding Deformation Analysis and Control of Plane Strain Model Test Rig

SU Wei-guo, WANG Pei-jun, ZHOU Bing-feng, WU Shu-ding

(Southwest jiaotong University, School of Mechanical Engineering, Chengdu 610031, China)

Abstract:Because of welding deformation, it is difficult to guarantee the flatness of the existing rock plane strain model test rig’s supporting table. Therefore, a new solving idea, deformation compensation is proposed. The amount of welding deformation and static load deformation are calculated by utilizing welding simulation software SYSWELD and finite element software ANSYS. In order to make the welding thermal deformation and static load deformation be compensated with eath other the welding process and static loading position are optimized to ensure the flatness of the supporting table. it is proved in practice that compared with conventional machining after welding or after welding distortion correction method, anti-deformation compensation method is better in the flatness and economic value.

Keywords:welding deformation; deformation compensation; angular deformation; test rig

中圖分類號：TG404

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0123-02

作者簡介：蘇薇國(1987-)，男，湖南汨羅人，碩士研究生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。

收稿日期：2014-08-05 2014-10-24