黃振華 張殿楨 丁志偉

摘 要：文章通過船體中典型的鋼結(jié)構(gòu)對接焊做有限元模擬分析，基于ANSYS有限元軟件對焊接的全過程做數(shù)字模擬分析，對鋼結(jié)構(gòu)在焊接加熱及冷卻的過程中的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變的結(jié)果詳細(xì)分析，通過數(shù)據(jù)的分析結(jié)果得到焊接后船舶鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力和焊接變形的規(guī)律，根據(jù)分析的成果對實際現(xiàn)場施工工藝進(jìn)行指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：船舶鋼結(jié)構(gòu)；焊接應(yīng)力應(yīng)變；焊接后的殘余應(yīng)力和應(yīng)變；有限元模擬分析

1 船舶鋼結(jié)構(gòu)焊接原理的概述

在船舶建造過程中，焊接廣泛應(yīng)用在船廠工區(qū)建造的各個環(huán)節(jié)中。從小組立到總段合攏的全過程都離不開鋼結(jié)構(gòu)的焊接，可以說焊接是船舶建造中最重要和最常用的工藝手段。對于船舶的鋼結(jié)構(gòu)而言，船體的底板、外板、肘板、舭龍骨等金屬結(jié)構(gòu)都是通過各種形式和方式的焊接組合到一起的。對于焊接而言，其是一個簡單的物理現(xiàn)象，而焊接過程包括金屬物體的加熱、鋼結(jié)構(gòu)的受熱融化熔、物體之間的傳熱傳導(dǎo)、加熱后和空氣接觸的熱傳遞、冷卻后的金屬凝固凝固、由于焊接后在結(jié)構(gòu)物內(nèi)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和結(jié)構(gòu)物受冷熱不均影響產(chǎn)生的變形等。在焊接后的焊縫內(nèi)及影響區(qū)域內(nèi)部，有焊接的作用導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在殘余應(yīng)力和焊接變形，對于焊接應(yīng)力和變形如果處理不合理，將會影響船舶建造精度進(jìn)而影響船舶的整體性能。為了避免和減少鋼結(jié)構(gòu)焊接的影響，在現(xiàn)代化計算機處理能力和有限元軟件成熟發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過電子計算機借助有限元軟件對焊接的全過程進(jìn)行模擬。通過有限元軟件，對需要焊接的鋼結(jié)構(gòu)、加熱的熱源、焊接熱源移動的步驟，以及焊接后模擬大氣環(huán)境下的結(jié)構(gòu)物冷卻，和最終的殘余應(yīng)力和焊接形變。從而找到不同焊接順序及工況下的應(yīng)力應(yīng)變，實現(xiàn)的焊接應(yīng)力應(yīng)變的消減和控制。

2 焊機理論基礎(chǔ)

利用有ANSYS軟件對鋼結(jié)構(gòu)焊接進(jìn)行模擬，即在模擬焊接的整個過程，以及在焊接時由于熱的傳導(dǎo)而產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變的過程。對于模擬計算需要的如下的基礎(chǔ)理論：

2.1 焊接溫度場

其中，ρ=結(jié)構(gòu)物的材料密度；

T=焊接產(chǎn)生溫度場的分布函數(shù)；

c=結(jié)構(gòu)物的材料比熱；

Q=焊接內(nèi)熱源的強度；

λ=結(jié)構(gòu)物的導(dǎo)熱系數(shù)

2.2 焊接應(yīng)力和應(yīng)變場

就焊接過程的應(yīng)力和形變而言，是由于焊接材料自身的特性隨自身溫度變化而產(chǎn)生的熱彈塑性，焊接產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)問題是由于結(jié)構(gòu)物自身非線性材料特性導(dǎo)致的非線性問題。而且在實際的焊接過程中，其產(chǎn)生的熱應(yīng)力和變形是一個很復(fù)雜物理現(xiàn)象。在對其進(jìn)行模擬計算時，一般焊接熱應(yīng)力場理解為一個非線性瞬態(tài)問題。為了便于計算，焊接模擬只考慮溫度場對應(yīng)力場的作用，而由于應(yīng)力場對溫度場的作用微乎其微，可以忽略。

應(yīng)力場的結(jié)構(gòu)關(guān)系公式如下：

其中，{dσ}=應(yīng)力增量；

{dε}=為應(yīng)變增量；

dT=溫度增量；

[D]=彈性或彈塑性矩陣；

{c}=與溫度有關(guān)的量。

2.3 焊接熱源

焊接的過程中，是由電弧熱源把產(chǎn)生的熱能傳給焊接物體，熱量是通過一定的作用面積進(jìn)行的，將這個加熱區(qū)域成為加熱斑點。加熱斑點上的熱量分布是不均勻的，一般呈現(xiàn)的是中心多而邊緣少的特性。用高斯數(shù)學(xué)模型來可以模擬加熱斑點上熱流密度分布。因此距加熱中心上任一點產(chǎn)生的熱流密度可表示為：

其中：Qm=加熱斑點中心最大熱流密度；

R=電弧有效加熱半徑；

r=離電弧加熱斑點中心的距離；

η=焊接熱效率；

U=電弧電壓；

I=焊接電流。

3 焊接計算結(jié)果分析

焊接是一個快速熱傳遞隨之并冷卻的過程，由于被焊接結(jié)構(gòu)上各點影響其溫度變化是非均勻的。通常情況下是焊接的焊縫區(qū)內(nèi)由于受電熱弧的直接影響的溫度變化很快，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域溫度變化較緩慢。通過ANSYS有限元對整個焊接過程進(jìn)行模擬，對構(gòu)件個部分的熱影響情況，通過溫度時間歷程可以查看結(jié)構(gòu)關(guān)鍵點溫度隨時間的變化。

3.1 焊縫溫度變化的趨勢

圖1顯示在結(jié)構(gòu)上選取關(guān)鍵點隨時間的溫度變化。說明在焊接時熱源到達(dá)表面各點后，溫度迅速上升到達(dá)最高值，隨后又快速冷卻到100度左右，然后緩慢降溫。

3.2 選取焊縫厚度的方向各點焊接溫度的變化

由于焊接時電熱弧的直接作用，在焊接物體的表面出溫度將會急劇上升，在物體熱傳導(dǎo)的作用下，熱能從表面向下傳遞，由于熱能傳遞的損耗，焊接處各點隨著深度的加深溫度不斷遞減。通過焊接的曲線表明對于溫度越高的點溫度遞減的速度也越開，隨著冷卻時間的延伸，最終各點的溫度趨于一致。

3.3 焊縫的疊加區(qū)域上表面各點的溫度變化

在焊縫的疊加區(qū)域，由于受到周邊多條焊縫焊接的影響，此區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)受到溫度的影響比較大。因為在該區(qū)域內(nèi)，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了多次的快速加熱升溫并隨之冷卻，以及冷卻后有加熱在冷卻的復(fù)雜過程。該區(qū)域內(nèi)的點由于距離焊縫的不同，其受影響的程度也有不盡相同。根據(jù)對關(guān)鍵點的分析，可以得到如下結(jié)論。在焊接加熱的過程中，選取點的溫度隨熱源的加熱而升高，然后隨熱源的消失而下降。同時由于距離加熱源的焊縫的距離不同，受到的影響程度也有差別。通過圖3可以看出，對接焊縫焊接對點影響最大。

4 應(yīng)力場計算結(jié)果分析

通過圖4、圖5可以看出由于焊接的相互影響，焊接后結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力的分布較為復(fù)雜，主要表現(xiàn)的現(xiàn)象為：焊接產(chǎn)生的等效應(yīng)力在焊縫區(qū)域數(shù)值最大，而距離焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域相對最小。通過有限元計算的結(jié)果，在上述區(qū)域內(nèi)最大殘余拉應(yīng)力達(dá)到了400Mpa，最大殘余壓應(yīng)力達(dá)到了210Mpa，有限元計算的焊接后最大的殘余等效應(yīng)力值達(dá)到了240Mpa。通過結(jié)算的結(jié)果清晰的表明，在焊接的焊縫處，單向焊接殘余應(yīng)力和等效殘余應(yīng)力均很高，通過模擬計算表在該結(jié)構(gòu)的焊縫區(qū)的應(yīng)力水平均最高。

通過三個方向的殘余應(yīng)力分布圖，在三條焊縫的結(jié)合處，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力值，這說明在受到多重焊接影響的區(qū)域內(nèi)，會產(chǎn)生大量的殘余應(yīng)力，在船舶結(jié)構(gòu)焊接時避免出現(xiàn)這種焊接工況。通過結(jié)果得到焊接后的最大壓應(yīng)力在X方向出現(xiàn)在面板對接縫和外板對接縫的兩端，Y，Z方向出現(xiàn)在腹板對接縫和外板對接縫的交接處。最大拉力和壓力都出現(xiàn)在構(gòu)件的中心剖面上。在三個方向的應(yīng)力分布圖中，和焊縫方向一致的時，焊縫區(qū)域的應(yīng)力較大。

5 結(jié)束語

（1）數(shù)值模擬構(gòu)件焊接的整個過程，為焊接工藝的優(yōu)化提出參考。

（2）焊接結(jié)構(gòu)的焊縫處由于受到較高溫度的影響，該區(qū)域內(nèi)殘存了較大的應(yīng)變和應(yīng)力，此處的殘余應(yīng)力較高。對于焊接后的變形而言，殘余應(yīng)變的最大拉應(yīng)力值在構(gòu)件焊縫中心處。

參考文獻(xiàn)

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