T型接頭焊接溫度場的有限元模擬

1、 文章編號:1008-3812(2004 04-0041-03T 型接頭焊接溫度場的有限元模擬韓海玲趙波李茂福(遼寧省交通高等專科學校, 遼寧沈陽110122摘要本文基于通用商業(yè)有限元軟件ANSYS , 對T 型接頭溫度場進行模擬分析, 從而得出了與經(jīng)典理論相符合的結(jié)果。關(guān)鍵詞焊接溫度場有限元模擬分析中圖分類號:TG 40文獻標識碼:B1問題的提出目前的計算機仿真主要集中在一些小的或簡單的薄板結(jié)構(gòu), 再者大型構(gòu)件焊接過程的計算機仿真往往采用解析法、二維有限元模擬或需要與試驗相結(jié)合進行數(shù)值模擬的方法, 而對大型構(gòu)件的三維有限元模擬論述較少。本論文就對T 型接頭的三維溫度場進行模擬分析。2理論依據(jù)

2、對于任何一種固體材料, 假定其求解域V R 3, 則V 內(nèi)任何一點的瞬態(tài)溫度T (x ,y ,z ,t 應滿足如下微分方程1:c t =x (x +y (t 0(1. 1式中Q (x ,y ,z ,t V 中的內(nèi)熱源強度, 為導熱系數(shù), 和c 分別為材料的密度和比熱。3焊接溫度場的簡化收稿日期:2004-10-21作者簡介:韓海玲, 畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學, 碩士, 講師。趙波, 畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學, 碩士, 教授。李茂福, 畢業(yè)于西安公路學院, 教授。3. 1熔化極的選取為了精確的模擬熱源, 本文采用熔化極焊接, 由于多道焊, 所以可采用“生死”單元來模擬。ANSYS 中單元生死起作用并不是將殺

3、死的單元從模型中刪掉, 而是將剛度(或傳導, 2,4。所以, “死”、比熱、彈性模量等效果都“生死”的原理, (傳導系數(shù)和比, 這樣將不影響溫度場的計算 。在高溫, 因為定義的彈性模量和屈服極限較小, 所以熔化區(qū)域的應力很小, 它對整個焊接應力場的模擬影響很小。3. 2熱源的選取然而對于有坡口的焊縫或填角焊縫, 上述的熱源模型難以適用, 此時通常假定熱量均勻施加在焊縫單元上, 作內(nèi)部熱源處理。由于焊縫是隨著電弧的移動逐步填充上去的, 尚未填充部分的單元假定為虛單元。在虛單元中給以極小的導熱系數(shù)數(shù)值, 直至填充焊縫轉(zhuǎn)化為實單元時為止。33. 3熱源的移動沿焊接方向以L 為長度等分焊縫為n 段,

4、在各段的后點強度?；貜棌澇翙z測面廣, 對同種材料而言, 壓實度越高, 回彈彎沉值越小, 故它能較全面地反映施工的壓實質(zhì)量。所以, 必須重視這兩項目在控制和評定施工質(zhì)量中的作用?？傊? 按上述步驟進行各項目的檢查和評定就能較全面、客觀地評價基層和底基層的質(zhì)量。參考文獻1中華人民共和國交通部. J TJ034-2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范M 北京, 人民交通出版社,20022中華人民共和國交通部. J TJ033-95公路路基施工技術(shù)規(guī)范M 北京, 人民交通出版社,19963徐培華, 陳忠達. 路基路面試驗檢測技術(shù)M . 北京:人民交通出版社,20004陸鼎中, 程家駒. 路基路面工程M .

5、上海:同濟大學出版社,1995Discuss Lightly that the Cement Stabilizes the Quality Inspection ofthe Soil Basic Unit and Bottom Basic Unit and EvaluatesZhou Y e Zhang XincaiAbstract This text simply analyses the quality inspection that the cement stabilizes the soil basic unit and bottom basic unit and e 2valuate

6、s the method , combine reality , convenient and swift , offers reference for examining and evaluating actually. K eyw ords Cement Stabilized ; S oil ; Base ; Subbase ; Fine Grain14第6卷第4期2004年12月遼寧省交通高等?？茖W校學報JOURNAL OF L IAONIN G PROVINCIAL COLL EGE OF COMMUNICATIONSVol. 6No. 4Dec . 2004 依次加載內(nèi)部熱源各L/v

7、 時間, 當下一個點加載開始時, 消除上一次所加的熱生成率, 上一次加載所得的溫度場為下一次加載的初始條件。每次加載唯一一個時間步, 如此依次在各點加載可模擬移動焊接瞬態(tài)溫度場。這一過程可以通過ANSYS 參數(shù)化設計語言APDL 定義循環(huán)來實現(xiàn)。43. 4模型網(wǎng)格的劃分和載荷步的選擇對于三維問題, 過小的時間步長和過密的網(wǎng)格勢必需要很大的計算機容量和長的計算時間。要獲得一個良好的瞬態(tài)焊接溫度場, 焊縫處的單元網(wǎng)格最好能在2mm 左右。所以本文在焊接方向的單元是2mm 長, 每次熱源都是加載在2mm 長的焊縫的整個截面上。33. 5熱物理參數(shù)的處理在分析焊接瞬態(tài)溫度場的過程中, 材料的熱物理性能

8、參數(shù)隨溫度變化, 材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度變化, 是非線性的, 主要參數(shù)有:導熱系數(shù), 密度, 容積比熱c 。這里的熱物理性能參數(shù)處理采用插值:給出有代表性的幾個溫度下的值, 其余溫度下的值由ANSYS 按線性插值求得。至于鋼材熔化時, 由固態(tài)變成液態(tài), 要吸收能量, 反之熔池凝固時由液態(tài)變成固態(tài), 要放熱, 所以要考慮熔池相變潛熱對溫度場的影響。對此的處理通常采取的方法有修正比熱法 、熱焓法和溫度回升法。本文利用等效比熱法。 4T 型接頭焊接結(jié)構(gòu)的模擬4. 1 模型T 型接頭試件的尺寸為:, 為:200×50×6mm , , 45°的坡口,x 方向為焊縫方向近

9、, 所以離焊縫較近的區(qū)域網(wǎng)格劃分細一些。熱分析單元選擇三維八節(jié)點六面體單元SOL ID70, 單元數(shù)20604, 節(jié)點數(shù)25957, 計算時間為8小時左右。網(wǎng)格劃分如圖1、2:4. 2熱源功率圖1T 型接頭有限元網(wǎng)格劃分焊接電流I 為150A , 電弧電壓U 為24V , 焊接速度V 為10mm/s , 焊接效率取0. 751。焊接熱源按內(nèi)部熱源移動生熱率BF 處理。那么熱源功率的計算公式有:q=U I =243150×0. 75=2700(W 。由于焊縫區(qū)一層不能焊透, 所以采用兩層焊接。焊縫區(qū)如圖4. 2所示。焊縫的第一層的橫截面積是S =1/2×0. 001×

10、;0. 001+1/2×0. 008×0. 0038=0. 0000157(m 2 , 所以焊縫每個單元的體積V =0. 0000157×0. 002=0. 0000000314(m 3 , 所以BF =q/V =2700/0. 0000000314=8. 6×1010(W/m 3 , 第二層的焊縫的橫截面積和第一層的不一樣大小, 本文考慮到焊接第一層時沒有預熱, 而在焊接第二層的時候沒有冷卻就開始焊接, 所以相當于焊接第二層時已經(jīng)預熱了, 所以第二層的生熱率和第一層的取相同的值。圖2焊縫區(qū)示意圖4. 3材料的熱物理性能材料熱物理性能參數(shù)2如表1所示。表

11、1材料熱物理性能參數(shù)溫度T/30040050012002500/w 1-16142. 338. 93030-37800780078007800780078007800比熱-1(a 24s 時的焊接溫度場(b 28s 時的焊接溫度場(c 32時的焊接溫度場24遼寧省交通高等專科學校學報2004年 (d 36s 時的焊接溫度場(e 1000s 時的焊接溫度場圖3焊接過程溫度場(單位:由圖3可以很清楚的看到焊接溫度場隨熱源移動以及冷卻一段時間溫度場的變化過程。4. 5焊接溫度場結(jié)果分析4. 5. 1移動熱源不同時刻溫度場分布下面是ANSYS 計算得出的結(jié)果:曲線140是28s 曲線150是30s 曲

12、線160是32s 圖4移動熱源不同時刻溫度分布曲線從圖中可以看出, 焊接溫度場基本上呈準穩(wěn)態(tài), 得出了基本符合經(jīng)典理論的結(jié)果1。4. 5. 2溫度場模擬的數(shù)據(jù)焊接過程中, 各點的溫度變化十分不均勻, 近焊縫區(qū), 溫度變化比較快, 而遠離焊縫區(qū)各點溫度變化比較慢。圖5為選取離焊縫0mm 、8. 5mm 、17mm 、25. 5mm 、34mm 、42. 5mm 在T 型接頭翼板上各點1至6。圖6為1至6各點在不同時刻(32s 、34s 、36s 的溫度變化。其中曲線1表示32s 時溫度變化;2代表34s 時溫度變化;3代表36s 時溫度變化 。圖5選取焊件上的各點圖7是1至6各點的熱循環(huán)曲線,

13、該圖顯示, 焊接過程中熱源沿焊件移動時, 焊件上某點溫度由低而高, 達到最高值后, 又由高而低, 隨時間而變化; 各點的升溫速度明顯地比冷卻速度要大; 冷卻時, 各點溫度逐漸趨于某一值, 即降到焊件的平均溫度為止 。 圖7焊件上各點的熱循環(huán)5結(jié)束語本論文對T 型接頭焊接熱應力和殘余應力模擬進行研究, 主要解決以下問題:模擬焊接熱源以及焊接熱源的移動問題; 材料性能隨溫度變化問題, 即材料非線性問題; 用“生死”單元模擬焊接的熔敷過程難收斂的問題。參考文獻1拉達尹著, 熊第京等譯. 接熱效應溫度場殘余應力變形. 北京:機械工業(yè)出版社,1997. 32512黎江. 三維焊接熱應力和殘余應力演化虛擬分析技術(shù)研究. 碩士學位論文. 廣西大學碩士學位論文,2002. 42523汪建華, 戚新海, 鐘小敏. 三維瞬態(tài)焊接溫度場的有限元模擬. 上海交通大學學報, 第30卷,1996,3. 1201254譚建國編著. 使用ANSYS6. 0進行有限元分析. 北京:北京出版社,2002An Analysis of Simulation of Welding Temperature in the T -jointHan Hailing Zhao Bo Li MaofuAbstract In this paper ,the welding temperature of t