張 佩（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401311）

ANSYS有限元熱耦合分析——以焊接過程為例

張 佩（中國人民解放軍后勤工程學(xué)院，重慶 401311）

利用有限元分析軟件 ANSYS，對焊縫的焊接過程進行數(shù)值模擬仿真，同時介紹了熱耦合分析計算的基本原理，并給出溫度場的分布情況。經(jīng)試驗證明，此算法計算結(jié)果準確可信，對金屬加工具有重要的指導(dǎo)意義。

ANSYS；焊縫；數(shù)值模擬；熱耦合

0 前 言

焊接是目前鋼結(jié)構(gòu)中最常用的連接方法，對接焊縫是受力和變形較為合理的接頭連接形式，它不削弱構(gòu)件截面，剛性好，構(gòu)造簡單，施工便捷，并可采用自動化操作，但焊接時會產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，連接處的韌性和塑性較差。金屬在加熱和冷卻過程中，會發(fā)生膨脹與收縮變形，會造成內(nèi)力的再分布，引起次內(nèi)力。如果結(jié)構(gòu)各個部位之間的膨脹收縮程度不同，或者結(jié)構(gòu)膨脹、收縮受到限制時，就會產(chǎn)生熱應(yīng)力?；谏鲜鲈颍疚睦肁NSYS分析軟件，對焊接過程進行了有限元分析，進而找到焊接過程中的薄弱環(huán)節(jié)，為金屬材料加工提供了參考意見和理論依據(jù)。

1 對焊接頭形式及有限元模型的建立

1.1 原始數(shù)據(jù)

如圖1所示為焊縫結(jié)構(gòu)及有限元模型，用鋁焊將鋼板（左）和銅板（右）焊接在一起。假設(shè)沒有輻射和對流，結(jié)構(gòu)左側(cè)為固定約束。環(huán)境初始溫度是20℃，鋁焊溫度是1500℃。

各種材料的屬性如表1所示。

各種材料的屬性表 表1

1.2 有限元模型建立

對焊接接頭進行有限元分析時，在對計算精度影響很小的前提下，為提高計算速度，可以對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作適當?shù)暮喕?。采用有限元方法計算結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力、應(yīng)變，考慮到對稱性，取半個結(jié)構(gòu)進行建模，然后通過鏡像得到整個結(jié)構(gòu)的結(jié)果。

1.2.1 有限元網(wǎng)格劃分

建模采用Vector Qaud 13單元，最后劃分得到的節(jié)點數(shù)為801個，單元數(shù)為750個，網(wǎng)格劃分如圖所示。

圖1 焊縫結(jié)構(gòu)及有限元模型

1.2.2 邊界條件的建立

通過對焊接過程的分析，決定采用下述邊界條件：約束鋼板左端面上所有節(jié)點的X軸和Y軸上的軸向自由度，在鋼板左端面和銅板右端面的所有節(jié)點施加溫度約束，數(shù)值為 20℃，另外對所有節(jié)點施加初始溫度值20℃。在時間積分控制中，打開溫度選項。

2 分析過程

①首先進入前處理器/PREP7；

②設(shè)置材料屬性和單元類型；

③建立有限元模型并進行網(wǎng)格劃分；

④設(shè)置荷載步，加溫度荷載并求解；

設(shè)置時間步選項和載荷步。共設(shè)5個荷載步，并逐一設(shè)置時間步。

在第 1個荷載步，殺死焊縫外半部單元：Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Other＞Birth&Death＞Kill Elements，如圖2所示。選擇焊縫周邊的所有節(jié)點施加溫度約束 1500℃，從力學(xué)角度嚴格地說這不是真實的約束，而是模擬焊接開始的外加溫度，當外加溫度滿足假設(shè)之后，就應(yīng)該刪除這些溫度約束。

在第2個載荷步，刪除第一級焊縫處的溫度約束。

在第3個載荷步激活第二級焊縫的單元，在此上的所有節(jié)點施加溫度約束1500℃。

在第4個載荷步刪除第二級焊縫的溫度約束。

第 5個載荷步為冷卻過程，設(shè)置時間步長為50000，并分為40個子步，以便觀察。

⑤對此5個荷載步進行求解。

3 計算結(jié)果

圖2和圖3分別給出了第2個和第5個荷載步得到的溫度場、位移和應(yīng)力云圖。

圖2 第2個荷載步的單元、溫度場、位移、應(yīng)力云圖

圖3 第5個荷載步的單元、溫度場、位移、應(yīng)力云圖

4 結(jié)果分析

通過對焊縫焊接過程的有限元分析可以明顯看到，在焊接的第2和第5個荷載步，溫度場、位移量及應(yīng)力的變化，并可觀察到明顯的焊接變形。

①焊接時，焊區(qū)的金屬處于高溫熔融狀態(tài)，而離焊區(qū)較遠的鋼板溫度則較低。焊區(qū)內(nèi)的金屬在高溫下膨脹很多，離焊縫越遠的部位膨脹越少。焊接完畢后，焊區(qū)開始冷卻而發(fā)生沿焊縫方向的收縮，但由于此時溫度不均勻分布，溫度較高的焊縫處依然有較大的膨脹變形，受到兩側(cè)低溫鋼材的阻礙，因而產(chǎn)生了縱向拉應(yīng)力。焊接冷卻后，由于沿焊縫方向和垂直于焊縫方向的收縮受到已經(jīng)硬結(jié)的焊層和焊件的約束，從而產(chǎn)生焊接變形，使焊件產(chǎn)生彎曲。

②對于 X型坡口的焊縫，材料的溫度、位移和應(yīng)力云圖均沿縱向中軸呈基本對稱分布。由于銅板右端面是自由端，且銅板比鋼板傳熱系數(shù)大且比熱容小，故右端溫度略高。

③溫度較高的部位始終集中在焊縫處，并向兩側(cè)金屬板逐漸降低。對第2荷載步，由于時間步長較短，高溫區(qū)基本與焊縫形狀吻和，在冷卻過程中，熱量向中央部位傳播，形成一條貫通的高溫區(qū)。

［1］楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［2］美國ANSYS有限公司.ANSYS單元參考手冊［M］.2003.

［3］邵蘊秋.ANSYS8.0有限元分析實例導(dǎo)航［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［4］孫永賓，郝淑英.基于 MARC的多層多道焊數(shù)值仿真研究［J］.天津理工大學(xué)學(xué)報，2014（3）.

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10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.085

張佩（1983-），女，山東菏澤人，畢業(yè)于長安大學(xué)，碩士；講師，研究方向：橋梁與隧道工程。