穩(wěn)態(tài)熱加載對筒狀結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力影響的研究

房元斌 陸永能 張林杰 孔祥意

(1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004； 2.徐工集團工程機械有限公司 高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004； 3.西安交通大學(xué)，西安 710049； 4.徐工集團道路機械分公司，江蘇 徐州 221004)

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穩(wěn)態(tài)熱加載對筒狀結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力影響的研究

房元斌1陸永能2張林杰3孔祥意4

(1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004； 2.徐工集團工程機械有限公司 高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004； 3.西安交通大學(xué)，西安 710049； 4.徐工集團道路機械分公司，江蘇 徐州 221004)

焊接熱源分別采用雙橢球和整條焊縫兩種穩(wěn)態(tài)熱加載，得到了筒狀結(jié)構(gòu)的焊后變形和殘余應(yīng)力分布，并進行了試驗驗證。結(jié)果表明：兩種加載方式焊后變形和應(yīng)力趨勢相同。整條焊縫加載峰值出現(xiàn)在兩封口板中心位置，峰值為4.931 mm，與試驗結(jié)果對比誤差小。應(yīng)力峰值相近，峰值近似339 MPa。采用雙橢球熱源加載，應(yīng)力分布與試驗結(jié)果吻合更好。仿真與試驗結(jié)果誤差均能滿足工程應(yīng)用要求，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。雙橢球熱源加載的計算時間是整條焊縫加載的27.2倍，從工程應(yīng)用層面分析，整條焊縫加載具有重大的使用價值。

穩(wěn)態(tài)熱加載 筒狀結(jié)構(gòu) 應(yīng)力 計算效率

0 序 言

隨著焊接數(shù)值模擬技術(shù)的不斷成熟，數(shù)值模擬仿真在生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)常態(tài)化[1-4]。但在生產(chǎn)過程中，如何提高計算效率，對輔助焊接生產(chǎn)有重要實用價值。國內(nèi)外專家學(xué)者已在焊接變形和應(yīng)力理論和工程應(yīng)用方面做了大量研究工作。日本大阪大學(xué)Murakawa Hidekazu團隊基于固有應(yīng)變法[5]快速預(yù)測大型結(jié)構(gòu)件焊接變形；上海交通大學(xué)陸?zhàn)┖托鞚M等人對筒狀結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵位置的殘余應(yīng)力進行了深入研究[6]；武傳松、陸?zhàn)┖臀浩G紅對多物理場耦合相互作用機制[7]對焊接變形和應(yīng)力影響進展和發(fā)展做了研究。

鑒于上述研究，結(jié)合文中筒狀結(jié)構(gòu)研究，以壓路機壓輪為研究對象。壓輪的生產(chǎn)一般分為升級和換代。產(chǎn)品升級主要是通過工藝質(zhì)量提升來實現(xiàn)，工藝質(zhì)量提升需要在半年內(nèi)完成；而產(chǎn)品換代是通過改變結(jié)構(gòu)形式、新材料應(yīng)用和新工藝的研發(fā)，往往需要長時間跟蹤市場反饋，花費一到兩年的時間才能穩(wěn)定。全憑工藝人員生產(chǎn)經(jīng)驗的積累已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的要求，這就需要借助計算機輔助計算技術(shù)，縮短時間，建立正確的壓輪有限元建模，需要經(jīng)歷三維模型簡化、網(wǎng)格劃分、熱源校核、樣件數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、調(diào)試計算、校核模型。在焊縫附近溫度梯度大，網(wǎng)格加密，網(wǎng)格數(shù)一般達到百萬以上，道次多、焊縫長、非線性計算，導(dǎo)致計算時間長，因而如何有效降低計算時間至關(guān)重要。

文中借助有限元分析，以雙橢球熱源和整條焊縫兩種穩(wěn)態(tài)加載，獲得了壓輪變形和殘余應(yīng)力分布，并進行了試驗驗證，同時，對比了兩種方式的計算效率。

1 試樣制備

壓輪材料為Q345B，外徑1 400 mm，輪寬2 100 mm，輪邊距到封口板600 mm，板厚40 mm，幾何模型如圖1所示，現(xiàn)場焊接如圖2所示。

圖1 壓輪幾何模型圖

圖2 現(xiàn)場焊接圖

卷圓直焊縫和封口板環(huán)形焊縫，采用福尼斯500型焊機焊接，焊接方法二氧化碳氣體保護焊，坡口角度為60°。焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

2 有限元模型的建立

熱源加載方式主要有功率加載、熱循環(huán)曲線加載、穩(wěn)態(tài)熱加載、功率加載熱源校核難度大，需要花費的時間長；熱循環(huán)曲線加載，收斂性差，計算準(zhǔn)確性與采集系統(tǒng)有關(guān)?；谝陨峡紤]采用穩(wěn)態(tài)熱加載，分別對雙橢球[8]和整條焊縫[9]兩種加載方式進行對比。

焊縫單元采用預(yù)先設(shè)置的方式，因而需要測量宏觀熱源模型參數(shù)[10]，從而定義填充單元的尺寸。通過接頭試驗，測量焊高、熔寬、熔深以及熱影響區(qū)尺寸，如圖3所示。根據(jù)實際測量的宏觀熱源形貌數(shù)據(jù)，進行焊縫單元填充。

網(wǎng)格總數(shù)直接影響著計算效率，為了有效控制模

圖3 熱源宏觀形貌

型的網(wǎng)格數(shù)，采用單元過渡技術(shù)，對焊縫和熱影響區(qū)的網(wǎng)格進行加密處理，而對于自由端和遠離焊縫位置采用稀疏網(wǎng)格。從而獲得壓輪網(wǎng)格模型，如圖4所示。其中，壓輪焊縫位置單元尺寸為3 mm，網(wǎng)格總數(shù)為1 014 054個，節(jié)點總數(shù)為1 164 148個。

圖4 壓輪的網(wǎng)格模型

模擬所采用的材料為Q345B，部分物性參數(shù)和力學(xué)參數(shù)隨溫度變化曲線，如圖5所示。

圖5 Q345B鋼的相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)與溫度的關(guān)系

力學(xué)邊界條件的定義：設(shè)置一組接觸對，用來模擬卷圓封口板焊接時，另一側(cè)卷圓自由端與變位機之間的接觸。沿寬度方向在中截面表面選擇若干節(jié)點，用來限制Y向的位移，目的是不影響對接板的縱向收縮變形；沿卷圓兩側(cè)自由端四等分點選擇若干節(jié)點來限制XZ向的位移，自由截面在焊縫收縮作用下，向卷圓板中心收縮變形，受限于截面圓結(jié)構(gòu)，在XZ平面收縮變形相對較小，從而達到不影響自由截面的橫向收縮。等效工件與外部環(huán)境的對流和輻射，將對流換熱系數(shù)設(shè)為0.02，環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃。

3 有限元分析結(jié)果與試驗驗證

3.1 焊接變形仿真分析

通過計算獲得雙橢球熱源和整條焊縫加載兩種加載方式的壓輪焊后變形，如圖6所示。

圖6 焊接變形云圖

通過圖6可知，兩種加載方式焊接變形趨勢相同。在卷圓板的直焊縫中間位置外凸。這主要是由于焊接過程中先焊接，后焊接的封口板環(huán)焊縫冷卻產(chǎn)生收縮力，對直焊縫中間位置有一個力矩作用，故使其位置外凸；而卷圓板沿著直焊縫和軸線AB平面呈現(xiàn)拉伸變形，在豎直方向最高點C和最低點D沿軸線平面呈現(xiàn)收縮變形，整體呈現(xiàn)壓扁的橢球變形。產(chǎn)生該變形趨勢均是在焊縫拘束力的作用下CD點產(chǎn)生向AB軸向平面收縮的趨勢；兩封口板沿著平面法向向各自輪邊一側(cè)呈外凸變形。這是典型的T形接頭焊后變形趨勢。

從焊后變形峰值可知，雙橢球熱源加載峰值出現(xiàn)在直焊縫收弧位置，峰值小，其值為4.179 mm；整條焊縫加載峰值出現(xiàn)在兩封口板中心位置，峰值為4.931 mm。兩封口板圓心同軸度是壓輪的關(guān)鍵尺寸，提取仿真結(jié)果。雙橢球熱源加載單側(cè)變形量為3.254 mm，總變形量為6.508 mm，整條焊縫加載單側(cè)變形量為4.931 mm，總變形量為9.862 mm。

3.2 試驗結(jié)果驗證與對比分析

采用三坐標(biāo)測量兩封口板外側(cè)圓心位置沿軸線的距離。測量前對表面進行除銹、除渣等處理。采用隨機抽樣的方式進行驗證，抽檢同一批次的壓輪，計算平均值，共記錄3組，變形測量值如表2所示。

通過表2可知：試驗測得焊接變形測量平均值為9.09 mm。雙橢球熱源加載變形量為6.508 mm，整條焊縫加載變形量為9.862 mm，計算得到誤差分別為28.4%和8.5%，滿足工程應(yīng)用要求，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時，從該筒狀結(jié)構(gòu)件封口板關(guān)鍵位置

測量數(shù)據(jù)，能直觀看出整條焊縫加載結(jié)果與試驗值吻合更好，模擬值偏小，這與生產(chǎn)中拼焊誤差和焊接參數(shù)高于工藝設(shè)計值、筒狀結(jié)構(gòu)件自身結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)。

表2 變形測量值 mm

3.3 應(yīng)力場仿真分析

從圖7可知，兩種加載方式應(yīng)力分布趨勢相同，在焊縫位置附近應(yīng)力較大，且峰值相近，其值近似為339 MPa。卷圓板直焊縫起弧位置先冷卻，焊縫位置收縮發(fā)生塑性變形。后焊接位置逐漸冷卻，但相對于先冷位置的拘束大，產(chǎn)生應(yīng)力疊加效應(yīng)，因而收弧位置的應(yīng)力大。

圖7 應(yīng)力分布云圖

兩種加載方式局部位置的應(yīng)力大小不同，整條焊縫加載應(yīng)力集中區(qū)域大。在卷圓板直線焊縫位置附近殘余應(yīng)力分布有明顯的區(qū)別，因而提取卷圓板焊縫中心應(yīng)力曲線對比分析，如圖8a所示?？梢钥闯?，在直焊縫和封口板圓周焊交叉位置雙橢球熱源加載應(yīng)力值小，這與加載時間有關(guān)。雙橢球熱源加載時間長，散熱快，交叉位置的預(yù)置溫度低，因而封口板的焊接相當(dāng)于對卷圓板直焊縫進行熱處理，從而降低殘余應(yīng)力。

3.4 試驗結(jié)果驗證與對比分析

采用HK21A型殘余應(yīng)力測試儀測試卷圓邊直焊縫附近的殘余應(yīng)力。測量點既要考慮盡量遠離起收弧位置，同時測量點間距應(yīng)大于盲孔法有效測量點間距30 mm，又不能太靠近封口板，防止受導(dǎo)向桿位置限制。分別選取距離封口板180 mm和360 mm的焊縫表面中心位置進行殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)采集，具體測量位置如圖8b所示。

圖8 殘余應(yīng)力與試驗測量分布圖

通過圖8a可知，采用雙橢球熱源加載和整條焊縫加載誤差分別為19.8%和29.4%，采用雙橢球熱源加載，應(yīng)力分布與試驗結(jié)果吻合更好，該種加載方式更接近實際工況。

3.5 計算效率對比

計算使用中科曙光高性能計算機，采用并行技術(shù)，分20個核計算。在保證模擬實際焊接工況結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮散熱時間，雙橢球熱源加載的計算時間為1 685 563.91 s，整條焊縫的加載計算時間為62 046.07 s。

從計算效率來考慮，雙橢球熱源加載的計算時間是整條焊縫加載的27.2倍。從計算精度分析，兩種加載方式焊接變形和應(yīng)力與試驗結(jié)果誤差均能控制在30%以內(nèi)，滿足計算精度要求。從工程應(yīng)用層面分析，采用整條焊縫加載在筒狀結(jié)構(gòu)件計算具有重大的使用價值。

4 結(jié) 論

(1)以雙橢球熱源和整條焊縫兩種方式加載，得到筒狀結(jié)構(gòu)焊接變形和應(yīng)力滿足工程應(yīng)用的要求，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2)兩種加載方式焊接變形趨勢相同，筒狀結(jié)構(gòu)采用整條焊縫加載焊后變形與試驗結(jié)果吻合更好。

(3)應(yīng)力分布趨勢相同，在焊縫位置應(yīng)力較大，且峰值相近，近似為339 MPa。采用雙橢球熱源加載，應(yīng)力分布與試驗結(jié)果吻合度更好。

(4)雙橢球熱源加載的計算時間是整條焊縫加載的27.2倍，從工程應(yīng)用層面分析，整條焊縫加載具有重大的使用價值。

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2016-11-21

國家科技支撐計劃(2015BAF07B02)

TG404

房元斌，1985年出生，碩士，工程師。主要從事工程機械產(chǎn)品方面的生產(chǎn)工藝和焊接數(shù)值模擬研究工作，已發(fā)表論文10余篇。