張 偉， 任晉宇

(武漢交通職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430065)

基于有限元軟件T型結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)應(yīng)用研究

張 偉， 任晉宇

(武漢交通職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430065)

應(yīng)用非線性有限元軟件對T型結(jié)構(gòu)進行了焊接工藝數(shù)值仿真，同時制作了相應(yīng)模型進行試驗，試驗內(nèi)容包括橫向、縱向收縮量及角變形的測試。試驗完成之后，將仿真數(shù)據(jù)與焊接模型試驗結(jié)果進行對比，對比結(jié)果表明：數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，驗證了利用有限元計算軟件在相應(yīng)的計算條件下進行焊接模擬計算的準確性，可以有效指導(dǎo)實船大構(gòu)件焊接，提高船舶建造焊接精度。

有限元 T型結(jié)構(gòu) 焊接仿真

1 引言

焊接是船舶建造中的重要工藝方法，一艘船的焊接成本大約占總成本的40%，由此可見焊接對于船舶建造的重要性。對于新型船用鋼材料，如何合理地制定其焊接工藝參數(shù)、選擇合適的焊接方式方法，從而達到減小焊接變形、提高焊接質(zhì)量，是一項十分重要的工作。以往每當(dāng)有新型船用鋼材應(yīng)用，就需要編制新的焊接工藝要求及作業(yè)指導(dǎo)書，編制過程中免不了需進行大量的焊接試驗，以確定最佳的焊接參數(shù)及焊接方法,其中依靠了一些經(jīng)驗性的規(guī)范，以及大量的多組試驗數(shù)據(jù)，這需要消耗大量的人力、物力與財力。

早在上世紀六七十年代，國內(nèi)外已經(jīng)開始對焊接進行數(shù)值研究，依托現(xiàn)有的非線性有限元仿真軟件開始數(shù)值模擬，針對于不同的焊接材料以及焊接參數(shù)，通過數(shù)值模擬預(yù)估焊接變形及其質(zhì)量，并取得了一系列成果。Dragi[1]研究了殘余應(yīng)力對焊兩個相似板的有限元分析；Guan[2]探討了焊接應(yīng)力和變形的控制工藝；Lindgren[3]介紹了模擬和焊接的理論；Bouarroud M[4]驗證了溫度對焊接質(zhì)量的影響；陳章蘭等[5]進行了EH36船用鋼焊接角變形有限元分析；譚險峰等[6]對焊接溫度場和應(yīng)力場的熱彈塑性有限元分析進行了討論；梁曉燕[7]對中厚板多道焊焊接過程中溫度場和應(yīng)力場進行了三維數(shù)值模擬。

目前，就焊接應(yīng)力與變形研究來說,主要有兩個研究方向，其一是熱彈塑性有限元方法；其二是固有應(yīng)變有限元方法。熱彈塑性有限元法跟蹤整個焊接過程,從原理上可以分析任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力與變形,但其缺點是計算量太大以及計算時間太長，因而對于一些大型焊接結(jié)構(gòu)還難以完全實現(xiàn)。

固有應(yīng)變有限元法著眼于焊接以后在焊縫和近縫區(qū)存在的固有應(yīng)變,不跟蹤整個焊接過程。若能找到固有應(yīng)變大小和分布與焊接參數(shù)以及焊件尺寸的關(guān)系,那么將固有應(yīng)變作為初始應(yīng)變值進行一次彈性有限元計算,就可以得到整個焊件的殘余應(yīng)力和變形,從而顯著減少計算工作量。因此，固有應(yīng)變法能較快較準確地預(yù)測焊接變形，并已在大型結(jié)構(gòu)焊接變形的計算中取得成功。

本文先用熱彈塑性有限元法計算得出各典型焊接接頭的固有應(yīng)變，再用試驗數(shù)據(jù)與焊接仿真數(shù)據(jù)對比得到具體比較數(shù)值，驗證焊接仿真的有效性。

2 T型結(jié)構(gòu)焊接有限元模型

2.1 熱源模型

焊接模擬中熱源分為表面熱源和體熱源兩種。對于平板對接焊而言，高斯表面熱源被經(jīng)常采用，特別是對于中厚板，其模擬的溫度場跟實際結(jié)果和理論計算都十分接近；然而對于薄板焊件，由于焊接時板已經(jīng)完全焊透，其溫度分布較均勻，宜采用等熱流密度的體熱源。對于角接焊，焊接時熔化的焊絲(高溫金屬)落在焊腳處，應(yīng)具有均勻分布的熱流密度，故模擬時焊腳這一部分的單元應(yīng)采用等熱流密度的體熱源。另外，電弧接近板材的表面，使該部分金屬得到表面分布的熱流，模擬時采用高斯分布的表面熱源。

2.2 材料模型

本模型采用船用結(jié)構(gòu)鋼10CrNiCuP工程合金鋼[8]進行物理試驗和仿真分析計算。在計算時選取焊材和母材為同一種材料，并且沒有考慮固固相變、液液相變以及更為復(fù)雜的流體動力學(xué)現(xiàn)象，這樣便于計算分析。計算中考慮了固液相變時的潛熱，取為274 kJ/kg。熱輻射的影響以相當(dāng)?shù)膿Q熱系數(shù)來表示，膜層的沉降溫度為25℃(室溫)，對流系數(shù)為33 W/(m2·℃)。

焊接瞬態(tài)熱分析中，溫度場是處于準穩(wěn)態(tài)的，即隨著熱源的移動，垂直于焊縫截面處的溫度分布是恒定的。

2.3 網(wǎng)格模型

ABAQUS中熱分析采用DC3D8單元，該單元是八節(jié)點的體單元，具有溫度自由度，表面和體內(nèi)可傳遞熱流。數(shù)值實驗采用的數(shù)值模型參數(shù)為：腹板長250 mm，寬80 mm，厚6 mm，翼板長250 mm，寬250 mm，厚6 mm，網(wǎng)格劃分后節(jié)點數(shù)為15 384，單元數(shù)為13 110。焊接條件如表1所示，選用的10CrNiCuP工程合金鋼。模型網(wǎng)格劃分時，應(yīng)使焊縫區(qū)及其附近細化，從而可得到均勻分布的溫度梯度，真實地模擬實際焊接過程中的溫度場，遠場區(qū)可使用較粗的網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格單元數(shù)、節(jié)點數(shù)可減少，減少了計算量但保證了計算精度。圖1是研究中采用的一種網(wǎng)格，在近縫區(qū)網(wǎng)格尺寸在3～5 mm之間，在遠處劃分的單元比較粗大，中間使用了兩級過渡網(wǎng)格，實現(xiàn)兩類網(wǎng)格的銜接。

表1 焊接條件

圖1 角接焊有限元網(wǎng)格模型

3 位移場計算結(jié)果與驗證

進行熱彈塑性分析后可以得出板材的應(yīng)力場和位移場，包括縱向、橫向和垂向的三向位移云圖(圖2～圖4)。垂向的位移引起板材的角變形，角接焊焊后位移云圖如圖 5所示。從這些圖中可以看出，板材焊接后發(fā)生了橫向的收縮、縱向收縮和上翹的角變形。對于橫向收縮和角變形，除了在焊縫的起始兩端變化較大外，沿焊縫絕大部分區(qū)域都趨于穩(wěn)定。

圖2 縱向位移云圖

圖3 橫向位移云圖

圖4 垂向位移云圖

圖5 角接焊焊后位移云圖

圖6為10CrNiCuP工程合金鋼T型結(jié)構(gòu)實物焊接圖，圖7為T型結(jié)構(gòu)焊接變形測量示意圖。

圖6 T型結(jié)構(gòu)實物焊接圖

圖7 T型結(jié)構(gòu)焊接變形測量示意圖

圖8～圖10將試驗數(shù)據(jù)與計算數(shù)值進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)T型結(jié)構(gòu)橫向、縱向收縮量及角變形的試驗測試計算值和試驗值較好吻合。

圖8 T型結(jié)構(gòu)橫向收縮量

圖9 T型結(jié)構(gòu)角變形量

圖10 T型結(jié)構(gòu)縱向收縮量

4 結(jié)論

(1) 通過對T型結(jié)構(gòu)有限元計算與試驗數(shù)據(jù)對比，可以發(fā)現(xiàn)計算數(shù)值與試驗值吻合較好，驗證了采用非線性有限元軟件進行新型船用鋼材數(shù)值模擬的可行性。

(2) 焊接熱輸入量的變化，使得T型結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向、縱向收縮量的變化以及焊接角的變化。

(3) 將T型結(jié)構(gòu)焊接仿真計算結(jié)果和試驗測試值比較，可以有效地指導(dǎo)大型船體結(jié)構(gòu)的焊接工藝數(shù)值模擬研究。

[1] Dragi Stamenkovi MSc,Ivana Vasovi BSc. Finite Element Analysis of Residual Stress in Butt Welding Two Similar Plates[R]. Scientific Technical Review. 2009.

[2] Guan Q A. Survey of development in welding stress and distortion controlling in aerospace manufacturing engineering in China[C]. Welding in the World， 1999:75-77.

[3] Lindgren L E. Finite element modeling and simulation of welding, Part2:improved material modeling[J]. Journal of Thermal Stresses， 2001，24(3):195-231.

[4] Bouarroud M,Katir Z. Temperature levels effects on the thermo-mechanical behdviour of solder attach during thermal cycling[J]. Industry applications(IEEE transaction on)， 2007,73(2):454-463.

[5] 陳章蘭,熊云峰,蔡振熊.EH36船用鋼焊接角變形有限元分析[J]. 船舶工程，2007，6:62-64.

[6] 譚險峰,張華.焊接溫度場和應(yīng)力場的熱彈塑性有限元分析[J]. 塑性工程學(xué)報，2004，5: 71-74.

[7] 梁曉燕.中厚板多道焊焊接過程中溫度場和應(yīng)力場的三維數(shù)值模擬[D]. 武漢：華中科技大學(xué)， 2004.

[8] 姜錫瑞編著.船舶與海洋工程材料[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2000.

Application Research on Welding Technology of T-type Structure Based on Finite Element Software

ZHANG Wei, REN Jin-yu

(Wuhan Technical College of Communication, Wuhan Hubei 430065, China)

This article makes a numerical simulation of welding technology for T-type structure based on nonlinear finite element software, and carries out a test with corresponding model. The test involves transverse shrinkage, longitudinal shrinkage and angular distortion. Then we compare the simulation data with test result. The result shows that the simulation data and the test result are in good agreement, validates the accuracy of simulation calculation in corresponding condition with finite element calculation software. The results can effectively guide the large component welding and improve the welding accuracy.

Finite element The T-type structure Welding simulation

張 偉(1982-)，男，工程師。

U671

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