趙小康,張海燕,侯國清,李慧瓊,韋賢宗
(廣西柳工機(jī)械股份有限公司,廣西 柳州 545007)
隨著仿真模擬技術(shù)的快速發(fā)展,焊接模擬計(jì)算已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)的焊接生產(chǎn)中,如汽車、造船、工程機(jī)械、壓力容器等[1]。Simufact-welding 軟件是MSC 公司開發(fā)的一款針對(duì)焊接熱處理進(jìn)行模擬計(jì)算的專業(yè)軟件,通過模擬計(jì)算優(yōu)化焊接工藝,合理布設(shè)裝卡位置,以及對(duì)焊接件的整體殘余應(yīng)力分布進(jìn)行預(yù)測(cè),縮短試驗(yàn)周期,降低試驗(yàn)成本,改善焊接結(jié)構(gòu)件質(zhì)量,延長使用壽命[2]。但是工程機(jī)械中往往面臨的是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接,焊接過程高度非線性,焊接模型的前處理和計(jì)算過程都需消耗大量的時(shí)間,如何在提高計(jì)算效率的同時(shí)保證計(jì)算精度顯得尤為關(guān)鍵[3-4]。
本文基于simufact-welding 不同算法下對(duì)某型裝載機(jī)動(dòng)臂的焊接溫度場(chǎng)、焊接變形、焊接殘余應(yīng)力及焊接效率方面進(jìn)行了比較,并且基于不同算法下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際焊接情況進(jìn)行對(duì)比,在綜合考慮計(jì)算效率和計(jì)算誤差的基礎(chǔ)上選擇合理的計(jì)算方法運(yùn)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接模擬仿真。
動(dòng)臂的有限元模型如圖1 所示,動(dòng)臂主要包括橫梁及左右動(dòng)臂板,橫梁與兩側(cè)的動(dòng)臂板均由三層三道焊縫連接。在網(wǎng)格劃分時(shí)為保證計(jì)算精度和提高計(jì)算效率,在溫度梯度變化大的焊縫及熱影響區(qū)采用較密的網(wǎng)格,而遠(yuǎn)離焊縫和熱影響區(qū)的部分采用較粗網(wǎng)格劃分,全局均采用六面體的網(wǎng)格劃分,該模型包含195 747 個(gè)節(jié)點(diǎn),148 373 個(gè)單元,焊縫總長度為8 521.54 mm。
該動(dòng)臂的材料為Q345,采用MAG 焊,焊絲為ER50-6,焊絲直徑為1.2 mm,保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2。在模擬計(jì)算時(shí)每條焊縫的熱輸入、焊接速度均參考實(shí)際焊接時(shí)的參數(shù),并且在如圖1 所示的位置添加與實(shí)際相符的裝卡,以及嚴(yán)格控制冷卻及撤除裝卡的時(shí)間。
圖1 動(dòng)臂模型
通過瞬態(tài)法、熱循環(huán)法、帶細(xì)分模式的熱循環(huán)法分別對(duì)動(dòng)臂的焊接過程進(jìn)行模擬仿真,瞬態(tài)法即選用一定的熱源模型(該模型采用雙橢球熱源模型)加載焊縫,能夠高精度的模擬實(shí)際焊接過程;熱循環(huán)法是基于熱循環(huán)曲線加載整條焊縫,忽略焊接時(shí)的運(yùn)行軌跡;帶細(xì)分模式的熱循環(huán)法是將整條焊縫分成若干段(該模型每條焊縫細(xì)分為3 段),然后基于熱循環(huán)曲線加載各段焊縫,分割段數(shù)越多計(jì)算時(shí)間增加,其過程計(jì)算逼近瞬態(tài)分析。計(jì)算效率統(tǒng)計(jì)見表1,可以看出采用熱循環(huán)法可大大縮短計(jì)算時(shí)間。
表1 不同計(jì)算方法效率比較
焊接傳熱過程以及瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分析是焊接過程應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和殘余應(yīng)力研究的前期[5]。選取動(dòng)臂板表面距焊趾2.75 mm 距離的點(diǎn),如圖2 所示,觀察不同計(jì)算方法下的熱循環(huán)曲線。相比較熱循環(huán)法,利用瞬態(tài)法計(jì)算時(shí)焊縫周圍的熱循環(huán)曲線是由移動(dòng)熱源加載的結(jié)果,而并非熱循環(huán)法計(jì)算時(shí)焊縫一次性被加熱,其焊縫周圍各點(diǎn)的熱循環(huán)會(huì)經(jīng)歷移動(dòng)熱源靠近和遠(yuǎn)離時(shí)的升溫和降溫,當(dāng)熱量更為集中的熱源靠近時(shí)焊縫周圍具有較高的熱循環(huán)峰值溫度,并且溫度分布范圍寬,如圖3 所示。
圖2 熱循環(huán)曲線觀察選點(diǎn)位置
圖3 基于不同計(jì)算方法下的熱循環(huán)曲線
在焊接過程中,由于焊接過程熱輸入和熱分布不均均等均會(huì)造成焊件的變形[6]。動(dòng)臂在焊接過程中橫梁兩側(cè)的動(dòng)臂受到焊縫的拉應(yīng)力而產(chǎn)生內(nèi)收的變形(即開檔尺寸減小),未受約束一側(cè)的動(dòng)臂板變形要大于約束一側(cè)的動(dòng)臂板變形。圖4 所示為各計(jì)算方法下的焊后變形及開檔尺寸,選取兩動(dòng)臂板左右兩側(cè)同一位置進(jìn)行測(cè)量。將模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),見表2。從表2 可知,焊接完成后開檔尺寸均減小,但是模擬計(jì)算結(jié)果動(dòng)臂板開檔尺寸的減小量要大于實(shí)際測(cè)量值,這可能與焊接仿真采用的熱源模型不能與實(shí)際熱源模型不完全相同有一定關(guān)系。模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際相比誤差均控制在20%以內(nèi),變形趨勢(shì)一致。瞬態(tài)計(jì)算時(shí)結(jié)果更逼近實(shí)測(cè)值,但計(jì)算周期較長。由于熱循環(huán)法和帶細(xì)分模式的熱循環(huán)法是基于熱循環(huán)曲線加載焊縫,熱量更多集中在焊縫本身,熱量的傳導(dǎo)范圍窄,焊后變形與實(shí)測(cè)值比較偏小較多,且兩種熱循環(huán)法計(jì)算的結(jié)果基本一致,這可能與細(xì)分模式下每條焊縫分段數(shù)的多少有關(guān),可是單純的熱循環(huán)法模擬計(jì)算時(shí)完全忽略了焊接順序?qū)?gòu)件焊接變形的影響。
表2 不同計(jì)算方法下焊接變形比較
圖4 各計(jì)算方法下的焊后變形及開檔尺寸
在工程機(jī)械行業(yè),由于工件結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和龐大,很難實(shí)際去測(cè)量焊接件的焊接殘余應(yīng)力,并且對(duì)于殘余應(yīng)力的測(cè)量耗時(shí)耗力,考慮到生產(chǎn)的原因很少專門去檢測(cè)和研究焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力,然而焊接殘余應(yīng)力作為一個(gè)潛在的危害,它會(huì)在焊接結(jié)構(gòu)件后期使用中影響其疲勞壽命,當(dāng)最大殘余拉應(yīng)力正好在應(yīng)力集中部位時(shí)與工作應(yīng)力疊加很容易誘導(dǎo)裂紋的產(chǎn)生,并且隨著殘余應(yīng)力的釋放會(huì)影響到工件的尺寸穩(wěn)定性[7-9]。通過仿真計(jì)算的方法可以準(zhǔn)確地分析焊接結(jié)構(gòu)件殘余應(yīng)力的整體分布,確定殘余應(yīng)力峰值部位,對(duì)后續(xù)通過相關(guān)措施降低殘余應(yīng)力以及焊接時(shí)對(duì)避開結(jié)構(gòu)件最大受力點(diǎn)及應(yīng)力集中區(qū)與殘余應(yīng)力峰值部位重疊提供指導(dǎo)意見。
圖5 為瞬態(tài)法計(jì)算殘余應(yīng)力分布的云圖,圖6 通過剖切的形式查看焊縫截面殘余應(yīng)力分布。從圖中可以看出,焊縫周圍存在較高的殘余拉應(yīng)力,遠(yuǎn)離焊縫的部位轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力,殘余應(yīng)力峰值區(qū)域如圖5 中黑色虛線框所示位置。
圖5 焊接殘余應(yīng)力分布云圖(瞬態(tài)法)
圖6 剖切面殘余應(yīng)力分布云圖(瞬態(tài)法)
選取以圖7 所示的路徑分析比較不同算法下的殘余應(yīng)力,如圖8 所示。從圖中可以看出當(dāng)采用熱循環(huán)法和帶細(xì)分模式的循環(huán)法計(jì)算時(shí),殘余應(yīng)力分布的分布及大小基本一致,熱換循環(huán)法計(jì)算時(shí),在橫梁一側(cè)的焊趾部位(圖7 中方框所示)具有較高的殘余拉應(yīng)力峰值,而采用瞬態(tài)法計(jì)算時(shí)由于焊縫周圍具有較高和較寬的溫度分布范圍,其焊縫周圍平均殘余應(yīng)力較高,而焊縫處的殘余應(yīng)力要低于熱循環(huán)法計(jì)算的結(jié)果。整體而言在焊接結(jié)構(gòu)中,焊縫焊趾部位具有較高的殘余拉應(yīng)力水平,隨著距焊縫距離的增加,焊接殘余應(yīng)力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。
圖7 殘余應(yīng)力分布觀察路徑示意圖
圖8 基于不同算法下焊接殘余應(yīng)力分布
針對(duì)工程機(jī)械大型結(jié)構(gòu)件的焊接,通過仿真模擬計(jì)算的方法可有效預(yù)測(cè)其焊接變形和殘余應(yīng)力的分布,優(yōu)化焊接工藝,用于指導(dǎo)生產(chǎn)。利用瞬態(tài)法計(jì)算時(shí),可以較高精度地得到焊接結(jié)構(gòu)件的變形及殘余應(yīng)力分布,但計(jì)算周期長且效率低;采用熱循環(huán)計(jì)算時(shí),雖然計(jì)算結(jié)果的精度較瞬態(tài)法計(jì)算時(shí)誤差偏大,但效率大大提升,可快速的預(yù)測(cè)焊接變形和殘余應(yīng)力分布。
通過模擬計(jì)算,在焊接時(shí)動(dòng)臂板受到焊縫的拉應(yīng)力而產(chǎn)生內(nèi)收的變形,即開檔尺寸減小,瞬態(tài)法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量焊后變形十分接近,誤差為4%左右,較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了焊接變形;通過對(duì)殘余應(yīng)力的計(jì)算發(fā)現(xiàn),焊縫周圍存在較高的殘余拉應(yīng)力,遠(yuǎn)離焊縫部位殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力。