T形接頭焊接溫度場(chǎng)的三維數(shù)值模擬

1、Welding Technology Vol.37No. 6Dec . 2008T 形 接 頭 焊 接 溫 度 場(chǎng) 的 三 維 數(shù) 值 模 擬熊震宇 1, 董 潔 2(南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 , 江西 南昌 330063摘要 :利用有限元分析軟件 ANSYS , 對(duì) T 形接頭焊接的溫度場(chǎng)的分布進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬 , 提出高斯函數(shù)和雙橢球函數(shù)相結(jié)合的雙熱源模 型 。 并應(yīng)用 APDL 語言實(shí)現(xiàn)了焊接全過程溫度場(chǎng)的三維動(dòng)態(tài)模擬 , 其結(jié)果與理論值完全吻合 , 證明了數(shù)值模擬的可靠性 。關(guān)鍵詞 :T 形接頭 ; 焊接 ; 數(shù)值模擬 ; APDL ; 溫度場(chǎng)中圖分類號(hào) :TG445文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

2、:B文章編號(hào) :1002-025X (200806-0021-03焊接熱過程數(shù)值模擬是焊接數(shù)值模擬的一個(gè)主要 方面 , 它把焊接學(xué)科與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合在一起 , 為定 量地研究焊接冶金起到積極的推動(dòng)作用 1。 ANSYS 軟 件是以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用 CAE 軟件 , 其 強(qiáng)大的熱結(jié)構(gòu)耦合及瞬態(tài) 、 非線性分析能力使其在焊 接模擬技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景 2。本 文 研 究 利 用 ANSYS 軟 件 的 參 數(shù) 化 程 序 語 言 APDL 編 制 了 焊 接 過 程 三 維 瞬 態(tài) 溫 度 場(chǎng) 模 擬 分 析 程 序 , 并以 T 形接頭埋弧焊為例給出了具體分析過程 , 計(jì)算結(jié)果與理

3、論結(jié)果比較吻合 。1有限元模型的建立本文所選用的模型為 :腹板尺寸 60mm 16mm 100mm , 翼板尺寸 100mm 20mm 100mm , 材料為 Q345。 T 形接頭模型如圖 1所示 。為了描述 T 形接頭三維焊接溫度場(chǎng)的分布 , 熱 分析單元中選取單元 SOLID87, 在加熱圓弧面上生成 無 中 間 節(jié) 點(diǎn) 的 三 維 4節(jié) 點(diǎn) 弧 形 的 表 面 效 應(yīng) 單 元 SURF152。 如圖 2所示 , 在焊縫區(qū)域及近縫區(qū)采用細(xì) 網(wǎng)格 , 而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)采用較粗的網(wǎng)格 。 熱 源 沿 著 T 形接頭 z 軸的方向勻速移動(dòng) 。1.1熱源模型焊接熱源具有局部集中 、 瞬時(shí)和快速移動(dòng)的

4、特 點(diǎn) , 在時(shí)間和空間域內(nèi)都易形成梯度很大的不均勻溫 度場(chǎng)是進(jìn)行焊接力學(xué)分析的基礎(chǔ) , 而焊接溫度場(chǎng)模型 的精確性依賴于熱源模型的精度 , 因而建立一個(gè)合適 的焊接熱源模型是焊接模擬過程中的重要部分 。 基于 T 形接頭的埋弧焊工藝 , 采用高斯分布的熱源函數(shù)作 為表面熱源 , 焊件熔池部分采用雙橢球形熱源分布函 數(shù)作為內(nèi)熱源 。(1 高斯函數(shù)分布的熱源q (r =q m exp -3r 222, (1 m;圖 1T 形接頭模型 圖 2T 形接頭有限元網(wǎng)格劃分xyz試驗(yàn)與研究 21焊接技術(shù) 第 37卷第 6期 2008年 12月有效加熱半徑 ; r 為離電弧加熱斑點(diǎn)中心的距離 。(2 雙橢球

5、形熱源用橢球形熱源分布函數(shù)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)在橢球前半部 分溫度梯度不像實(shí)際中那樣陡變 , 而橢球的后半部分 溫度梯度分布較緩 。 為克服這個(gè)缺點(diǎn) , 提出了雙橢球 形熱源模型 , 這種模 型 將 前 半 部 分 作 為 一 個(gè) 1/4橢 球 , 后半部分作為另一個(gè) 1/4橢球 。 設(shè)前半部分橢球 能量分?jǐn)?shù)為 f 1, 后半部分橢球能量分?jǐn)?shù)為 f 2, 且 f 1+f 2=2, 則在前半部分橢球內(nèi)熱源分布為 :q (r =6f 1Q exp -3x 22+y 22+z 22222, (2在后半部分橢球內(nèi)熱源分布為q (r =3/2abc exp -3x 22+y 22+z 22222, (3此二式中的

6、 a , b , c 可取不同的值 , 它們相互獨(dú) 立 。 在焊接不同材質(zhì)時(shí)可將雙橢球分成 4個(gè) 1/8的橢 球瓣 , 每個(gè)可對(duì)應(yīng)不同的 a , b , c 值 。1.2定義材料屬性由于溫度場(chǎng)的計(jì)算屬于非線性瞬態(tài)傳熱問題 , 需給定 Q345材料的熱物理性能參數(shù) , 見表 13。1.3模型假設(shè) 4, 5(1 材料為各向同性 ;(2 忽略金屬的填充熔敷作用 ;(3 工件的所有外邊界僅與空氣發(fā)生對(duì)流換熱 ,將輻射換熱的影響考慮到對(duì)流換熱中 ;(4 忽略熔池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和攪拌 、 對(duì)流等現(xiàn)象 。1.4“ 生死 ” 單元技術(shù)在 T 形板焊接過程中 , 焊接材料不斷填充而形成焊縫 , 這一過程可以通過

7、 ANSYS 中 “ 生死 ” 單元 技術(shù)生動(dòng)體現(xiàn) 。 首先將焊縫部分的有限元單元設(shè)置為 “ 死 ” 狀態(tài) , 即這部分單元的剛度矩陣乘以一個(gè)微小 ; , 部 分 的 單 元 “ 激 活 ” 即 可 。 值 得 注 意 的 是 , 在ANSYS 中 所 有 的 單 元 只 能 在 /prep7中 完 成 , 因 此 ,焊縫部分的單元也需要在 /prep7中生成 , 而不能在運(yùn) 用 “ 生死 ” 單元技術(shù)的時(shí)候憑空產(chǎn)生 。1.5焊接熱源的處理與施加由于加熱電弧是移動(dòng)的 , 對(duì)于移動(dòng)的實(shí)現(xiàn) , 利用 ANSYS 的 APDL 語言編寫子程序 , 采用離散的思 想 , 進(jìn)行多步循環(huán)來實(shí)現(xiàn)具體思路如下

8、 :沿焊接方向 將焊縫長(zhǎng)度 L 等分為 N 段 , 將各段的后點(diǎn)作為熱源 中心 , 在以電弧中心為圓心 , 半徑小于電弧有效加熱 半徑的區(qū)域內(nèi)加載熱源 , 每段加載后進(jìn)行計(jì)算 , 計(jì)算 時(shí)間為 L/V, 每一段的計(jì)算為一載荷步 。 當(dāng)進(jìn)行下一 段加載 (即下一載荷步計(jì)算 時(shí) , 需消除上一段所加 的高斯熱流密度 , 而且上一次加載計(jì)算得到的各點(diǎn)溫 度值作為下一段加載的初始條件 。 如此依次在各點(diǎn)加 載即可模擬熱源的移動(dòng) , 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)的 計(jì)算 。2焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果及分析利用 ANSYS 軟件強(qiáng)大的熱分析功能 , 按上述的有限元模型進(jìn)行了 T 形接頭焊接溫度場(chǎng)的三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模

9、擬 。 在模擬計(jì)算時(shí) , 采用的焊接工藝及相關(guān)計(jì) 算參數(shù)見表 2。隨著焊接熱源的向前移動(dòng) , 熔池隨之移動(dòng) , 溫 度場(chǎng)的分布也發(fā)生變化 , 當(dāng)熱源移動(dòng)到 T 形接頭中 間 部 分 , 電 弧 作 用 區(qū) 域 附 近 的 溫 度 場(chǎng) 分 布 基 本 穩(wěn) 定 , 與 準(zhǔn) 穩(wěn) 態(tài) 分 布 相 近 。 如 圖 3b 所 示 , 溫 度 云 圖 上的等溫線形狀呈現(xiàn)為以焊接方向 為 長(zhǎng) 軸 的 1/4近 似 橢 圓 , 焊 接 熱 源 前 方 等 溫 線 密 集 , 溫 度 梯 度 大 , 后方等溫線稀疏 , 溫度梯度小 。 T 形板動(dòng) 態(tài) 溫 度 場(chǎng) 模擬過程如圖 3所示 , T 形板冷卻過程溫 度

10、場(chǎng) 分 布 如圖 4所示 。 圖 5中 , 從 T 形接頭腹板某截面處取4個(gè)點(diǎn) , 它們的位置分別是 1. 距焊縫中心 ; 2. 距焊縫中心 4mm ; 3. 距焊縫中心 8mm ; 4. 距焊縫中心。溫度 / 彈性模量 /GPas /MPa切變模量/GPa密度/(kg m -3 線脹系數(shù) 10-6/K泊松比熱導(dǎo)率/W(m K -1比熱容/J(kg k -12021233021.2786014.80.293498350017521317.5786014.80.293498380013915313.9786014.80.293498312001077310.7786014.80.29349831

11、50083138.3786014.80.293498320006125.9786014.80.2934983表 1Q345材料的熱物理性能表 2焊接工藝及相關(guān)計(jì)算參數(shù) 電弧電壓U /V焊接電流I /A焊接速度 V /(mm s -1焊接熱效率電弧有效加熱半徑R /mm3650070.86試驗(yàn)與研究 22Welding Technology Vol.37No. 6Dec . 2008從熱循環(huán)曲線分布圖 6可以看出 , 在焊縫中心 處 , 當(dāng)焊接熱源移動(dòng)到該截面時(shí) , 焊縫中心的溫度急 劇上升 , 而由于熱傳導(dǎo)的緣故 , 距離焊縫中心越遠(yuǎn) 處 , 溫度逐步降低 。 冷卻時(shí) , 各點(diǎn)溫度逐漸趨于某一

12、 值 , 即降到焊件的平均溫度為止 。3結(jié)論(1 在 T 形接頭焊接過程有限元分析過程中 , 注意采用合理的網(wǎng)格大小 , 從而合理控制有限元計(jì)算量和 結(jié)果的精度 。(2 針對(duì) T 形接頭埋弧焊工藝 , 利用 ANSYS 平 臺(tái)進(jìn)行有限元分析時(shí)提出以高斯分布的熱源函數(shù)作為表面熱源 , 焊件熔池部分采用雙橢球形熱源作為內(nèi)熱 源的雙熱源相結(jié)合的方式 , 采用 “ 生死 ” 單元方法得 出的計(jì)算結(jié)果與理論結(jié)果最為接近 。參考文獻(xiàn) :1李冬林 . 基于 ANSYS 軟件焊接溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)模擬研究 J . 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) , 2005, 20(5:81-84.2劉 興 龍 , 曲 仕 堯 . 基 于 ANSYS 的 焊 接 過 程 有 限 元 模 擬 J . 電 焊機(jī) , 2007, 35(7:41-44. 3嚴(yán)浩 . 鋼結(jié)構(gòu)厚板焊接殘余應(yīng)力實(shí)驗(yàn)研究與有限元分析 D . 湖北 武漢 :武漢理工大學(xué) , 2006, 11.4韓海玲 , 董曉強(qiáng) . 丁字接頭的溫 度 場(chǎng) 和 應(yīng) 力 場(chǎng) 的 有 限 元 模 擬 J .沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) , 2004, 26(5:511-513.5陳翠欣 , 李午申 , 王慶鵬 , 等 . 焊接溫度場(chǎng)的三維動(dòng)態(tài)有限元模擬 J . , , 51(5:(a t =0.667s 溫度場(chǎng)分布(c t =16s 溫度場(chǎng)分布(b t