孫 鵬 金 雁 張建交 汪志林 劉 彬

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

船體大焊縫間隙對接焊橫向收縮變形數(shù)值模擬*

孫 鵬 金 雁 張建交 汪志林 劉 彬

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063)

針對船舶建造合攏過程中出現(xiàn)焊接間隙超差的問題，基于SYSWELD焊接仿真分析軟件，提出了適用于模擬大焊縫間隙超差情況下中厚板多層多道焊產(chǎn)生的變形場的熱-彈-塑性非線性有限元數(shù)值計(jì)算方法.通過建立三維有限元模型和采用平均熱循環(huán)曲線取代瞬態(tài)移動熱源對焊縫進(jìn)行加載的方法，對船體大焊縫間隙對接焊接橫向收縮變形進(jìn)行了數(shù)值模擬，并通過實(shí)際試驗(yàn)對板材焊接接頭的橫向收縮變形進(jìn)行了測量，對比發(fā)現(xiàn)，實(shí)測變形結(jié)果與由數(shù)值模擬得出的橫向收縮變形數(shù)值基本一致，驗(yàn)證了此數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和有效性，為實(shí)現(xiàn)精度造船提供了理論基礎(chǔ).

大焊縫間隙；多層多道焊；平均熱循環(huán)曲線；橫向收縮變形；數(shù)值模擬

0 引 言

在船舶制造工業(yè)中，船體的焊接工作占整個船體建造總工作量的40%以上，而且焊接是一個局部高能量熱輸入的過程，不可避免的會產(chǎn)生焊后的板材變形[1].對于在船體合攏及預(yù)合攏的施工過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)合攏縫間隙超差的情況，這種情況帶來的焊接變形會對船體建造精度帶來很大程度的影響，同時矯正這些變形會花費(fèi)大量的時間和人力[2-3]，所以，準(zhǔn)確有效地預(yù)測板材大焊縫間隙下橫向收縮變形以便于能夠提前采取相應(yīng)的控制措施具有重要的理論研究意義，同時也是生產(chǎn)實(shí)際急需解決的問題.

國內(nèi)外許多研究人員已經(jīng)展開了焊縫間隙在16 mm以下焊材焊接變形的研究工作[4]，而對于焊縫間隙超差(16～25 mm)情況下的板材焊接變形鮮有報(bào)道.文中采用法國法碼通公司開發(fā)的焊接模擬仿真軟件SYSWELD,提出了適用于模擬大焊縫間隙下中厚板多層多道焊產(chǎn)生的變形場的熱-彈-塑性非線性有限元數(shù)值計(jì)算方法，并采用平均熱循環(huán)曲線代替瞬態(tài)移動熱源對焊縫進(jìn)行加載的方式對板材在大焊縫間隙下焊接橫向收縮變形進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，同時采用試驗(yàn)方法對比驗(yàn)證，通過比較試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果，驗(yàn)證了此數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和有效性.

1 試驗(yàn)方案

在中國造船質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中，焊縫間隙在16～25 mm時，需要進(jìn)行長肉處理，長肉的方式是在焊縫的一側(cè)或兩側(cè)進(jìn)行堆焊處理，直至坡口間隙≤16 mm時長肉過程完成，之后將坡口進(jìn)行氣刨和打磨操作，形成可以正常焊接的坡口形式，然后再用通常的焊接工藝進(jìn)行焊接.

實(shí)驗(yàn)采用的材料是常用的船舶低合金結(jié)構(gòu)鋼S355J2G3，材料主要的化學(xué)成分參數(shù)見表1[5].

表1 S355J2G3的材料化學(xué)成分 %

25 mm是允許作長肉處理的最大值，超過25 mm就要作換板處理，因此文中板材的焊縫間隙取25 mm進(jìn)行焊接試驗(yàn)就可以覆蓋所有間隙超差的情況.采用FCAW焊接方式，保護(hù)氣體為CO2，焊件的尺寸為200 mm×50 mm×20 mm，坡口角度為50°，焊絲采用ER55-G，焊接工藝參數(shù)見表2.襯墊方式為陶瓷襯墊，焊接時的環(huán)境溫度為20 ℃，焊接時長肉至焊縫間隙為10 mm再進(jìn)行主焊縫的焊接，焊道布置及接頭形式見圖1.

表2 焊接工藝參數(shù)

圖1 焊道布置及接頭形式

設(shè)計(jì)了一個簡易的測量裝置，焊接完成焊件冷卻至室溫時，將焊件變形后的輪廓畫在白紙上，采用游標(biāo)卡尺測量了板材C1上A，B，C3點(diǎn)(見圖1)的橫向收縮變形，圖2所示取樣點(diǎn)A位置的收縮變形，Δμx即為取樣點(diǎn)A處的變形量，依次可以測量出B，C取樣點(diǎn)的收縮變形，取3次試驗(yàn)測量的平均值作為考察值，經(jīng)過測量，試驗(yàn)板材取樣點(diǎn)A，B，C3點(diǎn)的平均橫向收縮變形為0.52，0.54，0.63 mm.

圖2 焊接收縮變形測量裝置

2 有限元模擬計(jì)算方法

2.1 有限元模型

由于在焊接過程中，溫度隨時間和空間急劇變化，對于網(wǎng)格劃分的質(zhì)量及時間步長的設(shè)置都會影響模擬的最終結(jié)果，并且為了能夠兼顧計(jì)算速度和計(jì)算精度的矛盾，將焊縫及近縫區(qū)的網(wǎng)格劃分的比較密，控制在了網(wǎng)格大小在1 mm；遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的網(wǎng)格采用過渡劃分方式.整個網(wǎng)格劃分過程采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元以及六節(jié)點(diǎn)五面體單元，劃分后的有限元模型見圖3，模型共有53 550個實(shí)體單元，62 222個節(jié)點(diǎn).

圖3 有限單元模型

2.2 焊接熱源處理方法

對于中厚板多層多道焊焊接，為了避免出現(xiàn)高度非線性以及為了減少計(jì)算量和時間常采用簡化熱源模型的方法，利用焊接模擬仿真軟件SYSWELD，首先選取合適的熱源模型進(jìn)行熱源的校核，再提取出焊縫所有節(jié)點(diǎn)的平均熱循環(huán)曲線來代替瞬態(tài)移動熱源作為熱載荷加載到結(jié)構(gòu)模型中，最后進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)模型的變形計(jì)算.

采用雙橢球熱源模型來進(jìn)行對弧焊各層焊道的模擬，見圖4.

圖4 雙橢球熱源模型

其前、后半橢球的熱流密度分布函數(shù)為

(1)

(2)

式中：af為橢球的前半軸長度；ar為橢球的后半軸長度；b為熔寬；c為熔深；q為熱源密度.

將校核好的焊接熱源加載到4道焊縫中分別是1，9，10，13焊道(見圖1)進(jìn)行后處理計(jì)算，通過觀察提取各自100 s的焊縫組節(jié)點(diǎn)的平均熱循環(huán)曲線，來分別代替長肉層、打底層、填充層和蓋面層的瞬態(tài)移動熱源.其各層焊道的熱循環(huán)曲線見圖5.

圖5 各層焊道的平均熱循環(huán)曲線

2.3 焊縫間隙處理以及計(jì)算邊界條件

在實(shí)際焊接過程中，熔池里添加的材料與母材雖然不一致但必須是相容的物質(zhì)，具有相同的熱物理性能參數(shù).考慮到上述原因，SYSWELD在模擬計(jì)算過程中，將母材和焊縫金屬的材料性能視為一致，并采用熱-彈-塑性非線性的傳熱方程來描述電弧熱在被焊試件內(nèi)部的傳導(dǎo)方程，即

(3)

式中：ρ為材料的密度；c為材料的比熱容；θ=θ(x,y,z,t)為在t時刻節(jié)點(diǎn)(x,y,z)處的溫度；λx，λy，λz為材料沿x，y，z方向上的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Q為材料內(nèi)部的熱源密度.

同時利用牛頓法則和波爾茨曼定律分別考慮工件與外部環(huán)境的對流和輻射的邊界條件.SY-SWELD在進(jìn)行溫度場的計(jì)算時，會考慮熔池的熔化潛熱，對于低合金結(jié)構(gòu)鋼而言，液相線溫度是1 505 ℃，固相線溫度是1 440 ℃.

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)場計(jì)算時，將溫度場計(jì)算的結(jié)果作為一種熱載荷的形式導(dǎo)入到力學(xué)計(jì)算模型中.在利用熱-彈-塑性非線性有限元計(jì)算方法中，彈性階段的變形規(guī)律遵從胡克定律，塑性區(qū)內(nèi)的行為服從塑性流動準(zhǔn)則和強(qiáng)化準(zhǔn)則；材料的屈服服從Von Mises屈服準(zhǔn)則；在極小的時間域內(nèi)，材料的各種力學(xué)性能呈線性變化；在整個計(jì)算過程中，材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化而變化[6].在分析應(yīng)力場時，其邊界條件保證計(jì)算模型不發(fā)生剛體移動即可[7].

3 結(jié)果比較與分析

3.1 焊接變形云圖

焊接完成冷卻至室溫后，其板材模型的變形云圖見圖6.

圖6 焊接變形云圖

由圖6可知，在中厚板多層多道焊焊接過程中由于焊縫的收縮引起的橫向收縮變形相對于縱向收縮變形以及角變形較大，且對整體變形的影響最大.

3.2 焊接橫向收縮變形計(jì)算結(jié)果

焊件在焊接后會在焊縫區(qū)域及近縫區(qū)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力，在冷卻至室溫的過程中，由于熱脹冷縮的作用將會在焊縫區(qū)以及附近區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力，宏觀上就會形成一定的橫向收縮變形，即垂直于焊縫方向上的橫向收縮位移.本文主要研究船體大焊縫間隙下對接接頭橫向收縮量的變形.

取點(diǎn)A，B，C3個節(jié)點(diǎn)(見圖1)處的橫向收縮量作為研究對象，在各焊接層道焊接完成后的橫向收縮變形量見表3.

表3 各焊接層道的橫向收縮變形量 mm

由表3可知，在焊接長肉階段(1～3道焊縫)，其板材(C1)的橫向收縮量是負(fù)方向，這是由于在板材一側(cè)進(jìn)行堆焊發(fā)生的偏移現(xiàn)象；在焊縫4～5處，可以看到A，B，C3點(diǎn)的收縮量變化非常小，這是因?yàn)?～5道焊縫為在另一塊母材(C2)進(jìn)行堆焊，對這3點(diǎn)的橫向收縮變形基本沒有影響，其有微小變化的原因是因?yàn)殡S著溫度的冷卻，其母材C1的變形隨時間發(fā)生變化引起的；在主焊縫焊接過程(7～10道焊縫)中，可以看到，隨著焊接過程的進(jìn)行，其橫向收縮變形是逐漸變大的，這與實(shí)際過程也是相符的.

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的數(shù)據(jù)與由表3中第10道焊縫焊接完成冷卻至室溫后的結(jié)果進(jìn)行比較，得到結(jié)果見表4.

表4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較

由表4可知，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的百分比誤差控制在20%以內(nèi)，證明此方法是有效的.

4 結(jié) 束 語

文中基于熱彈塑性有限元分析理論，通過采用平均熱循環(huán)曲線來代替瞬態(tài)移動熱源加載焊縫的方法對船舶建造過程中大焊縫間隙對接接頭多層多道焊過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，不僅大大減少了求解的時間，而且模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，證明了此數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和有效性，可以作為解決船舶合攏工作中出現(xiàn)大間隙情況的方法并為實(shí)現(xiàn)精度造船提供了理論基礎(chǔ).

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[2]李振江.基于SYSWELD的焊接接頭溫度場和殘余應(yīng)力場研究[D].北京：北京交通大學(xué),2010.

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Numerical Simulation on Big Welding Gap of Hull Butt Welding Transverse Shrinkage Deformation

SUN Peng JIN Yan ZHANG Jianjiao WANG Zhilin LIU Bin

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Aiming at the problem that the welding gap does not satisfy the standard in the process of shipbuilding, a thermal-elastic-plastic nonlinear finite element numerical calculation method is put forward based on the SYSWELD, which is applicable for simulating the deformation field of plate with multi-layer and multi-line welding under the condition of large welding gap. By establishing a three-dimensional finite element model and replacing the transient heat with the average thermal cycle curve to load the weld, numerical simulations are carried out to investigate the effects of big welding gap on the hull butt welding transverse shrinkage deformation. In addition, through the actual test, the transverse deformation is measured. By comparing the measured value with the calculated value, it is found that they are almost the same, which verifies the accuracy and effectiveness of the numerical simulation method, and provides a theoretical basis for the realization of the precision shipbuilding.

big welding gap; multi-layer weld; average thermal cycle curve; transverse shrinkage deformation; numerical simulation

2016-12-13

*湖南省內(nèi)河液貨船標(biāo)準(zhǔn)船優(yōu)化項(xiàng)目資助(103-6114141281)

U671.3

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.035

孫鵬(1991—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇芭c海洋物設(shè)計(jì)與制造