叉車結構件焊接變形場數值模擬研究

徐剛 戚海勇 劉軍

為了減小叉車結構件的焊接熱變形并探索叉車焊縫的焊接順序優(yōu)化方法，本文首先對某型叉車結構件進行有限元網格劃分，采用串熱源移動模型模擬焊接熱場的移動，利用ANSYS/WORKBENCH程序自帶的APDL語言編程實現熱移動載荷的施加。計算得到叉車結構件焊接結束后的溫度場分布，然后將溫度場作為已知條件輸入模型，計算得到結構件的焊接變形。并將計算結果與試驗結果進行對比，二者誤差為10.7%，在控制誤差15%以內，滿足計算要求，表明本文計算模型的合理性，可以此方法為依據，進行叉車焊縫焊接順序的優(yōu)化。

一、引言

叉車車輛焊接構架的焊接變形是影響構架結構設計完整性、制造工藝合理性和結構使用可靠性的關鍵因素之一。目前，消除焊接構架在制造過程中的焊接變形常采用的方法是變形矯正和整體退火等，這樣不僅增加成本、延長制造周期，而且會改變結構殘余應力的分布狀態(tài)。因此，迫切需要采用數值方法模擬焊接構架的焊接過程，掌握焊接變形的規(guī)律，以制定科學的焊接工藝。

1962年，丹麥人首次用計算機有限差分法進行鑄件凝固過程的傳熱計算，進入70年代，更多的國家加入到這個研究行列，并從鑄造逐步擴展到鍛壓、熱處理、焊接。我國焊接界數值模擬研究起步于80年代初，近年來很多的科研單位和個人投入到了這項研究中，并取得了積極的進展。

譚兵等采用采用SYSWELD有限元軟件對多種夾持條件下的5 mm厚的L形鋁合金角接接頭的激光—MIG復合熱源焊接變形進行數值模擬，并與實際焊接結果進行比較。研究表明：該軟件能較好地模擬L形角接接頭的激光—MIG復合焊，模擬結果與實際變形偏差為10%，夾持近焊縫處和焊縫冷卻到室溫時卸下夾具，更利于控制L形鋁合金結構的激光—MIG復合焊接變形。孫凱等采用ESI公司焊接專用軟件SYSWELD對K7轉向架副構架進行了數值計算分析。根據K7轉向架副構架建立其三維幾何模型，劃分網格模型，設置熱源參數?？紤]到實際生產時遇到的情況，采用四種焊接方式進行模擬，并與實驗結果相對比，按照設計的焊接工藝仿真得到的焊接殘余應力與實驗吻合較好。張書權等基于有限元軟件SYSWELD對T型接頭溫度場進行三維動態(tài)模擬，得出了瞬態(tài)溫度場分布圖和特征點的熱循環(huán)曲線，同時也得出了焊縫上任一點的溫度變化與相演變的關系。王中輝等在相同的焊接工藝參數下，采用焊接間隙為1mm 等距和焊接起始點到焊接終止點間隙從1mm 漸變到3mm 兩種裝配方式，對薄板進行焊接，利用SYSWELD 有限元分析軟件對薄板對接焊縫進行數值模擬，得出平板對接焊縫的溫度場分布、殘余應力和變形，并通過試驗驗證了模擬分析結果。張錦州等采用SYSWELD模擬軟件對X70 管線焊接進行數值模擬，建立了體積組合熱源分析模型，確定熱物理參數變化規(guī)律，模擬計算出焊縫區(qū)焊接應力變形的分布規(guī)律，求得應力變形最危險位置，為探索管線焊接規(guī)律提供了有益的幫助。胡建以Q345D 低合金高強鋼T 型接頭雙面焊接過程的數值模擬為研究對象，利用SYSWELD 有限元分析軟件，選擇雙橢球熱源模型，模擬不同焊接工藝下Q345D鋼T型接頭雙面焊接過程。尹輝俊和畢齊林基于固有應變理論，采用ANSYS建立了叉車門架的有限元模型并進行了數值模擬分析，求出叉車門架焊接變形大小及趨勢，得出了對叉車門架焊接變形進行預測與控制的一種方法。馮兆龍和朱丙坤利用大型軟件MSC MARC有限元分析軟件對T型接頭的不同焊接方式進行了實時三維數值模擬，并對焊接殘余應力分布以及角變形計算結果進行了分析說明。李婭娜等采用MSC MARC對焊接構架的關鍵部件—側梁進行了焊接變形仿真計算，并對側梁進行現場跟蹤測量，分別得出側梁的焊接變形計算結果與測量值，二者基本吻合。王軍等針對起重機主梁蓋板和腹板的箱形梁焊接殘余應力及變形復雜等情況，采用ANSYS有限元方法，選取分段移動串行熱源模型、熱力耦合及生死單元技術，進行了焊接應力場及變形的數值模擬。高大曉等運用大型通用有限元計算軟件ABAQUS對Q235薄板焊接溫度場進行數值模擬，研究比較了常規(guī)CO²保護焊及帶強化散熱裝置的CO²保護焊焊接過程中溫度場的分布及發(fā)展過程。趙利華和張開林以熱彈塑性理論為基礎，采用ANSYS的APDL語言對側梁進行焊接變形數值仿真計算，并對側梁進行現場跟蹤測量。其焊接變形仿真計算結果與測量值基本吻合，誤差在7%之內。莫舂立等、程久歡等、陳家權等分別總結和闡述了目前焊接問題數值模擬中采用的主要熱源模型。蔡志鵬等通過分析焊接熱源的特征要素，在ANSYS高斯熱源的基礎上，根據輸入熱功率相當提出段熱源模型，并與點熱源結合，進一步提出更加靈活實用的串熱源模型。經驗證明，可在保持精度的同時大幅度地縮短計算時間，從而使實際構件工藝的模擬、優(yōu)化成為可行。

二、焊接熱變形場數值模擬

1、數模簡化及網格劃分

叉車部件的三維數模在叉車設計部門專業(yè)的三維繪圖軟件中完成，然后導出成IGES格式的文件，由于CAD模型通常不會考慮CAE分析的需要，DesignModeler是它們之間的橋梁。DesignModeler全參數化實體建模，基于ANSYS15.0 Workbench，提供適用于有限元計算的建模功能，包含具體模型的創(chuàng)建，CAD模型的導入和修復，CAD模型的簡化以及概念化模型創(chuàng)建功能。叉車部件三維數模如圖1所示。

根據焊接問題分析的特點，將模型中的全部體選中，組成一個新的部件，以便焊縫處能夠共享節(jié)點，溫度及應力結果過度平滑。本文采用串熱源模型進行計算時，并且為了方便對焊縫進行分段，以三維幾何模型中焊縫所在的自然線段的每段為一條焊縫。擬將所有的焊縫按照長度約為50mm進行分段。

Workbench中的有限元網格算法可以分為協調分片算法和獨立分片算法，協調分片算法的分片面及邊界考慮零件實體間的相互影響采用小公差，常用于考慮幾何體的小特征?？梢杂锰摂M拓撲工具把一些面或者邊組成，構成虛擬單元，從而減少單元數目，簡化小特征，簡化載荷提取，因此如果采用虛擬拓撲工具可以放寬分片限制。獨立分片算法的分片不是太嚴格，通常用于統(tǒng)一尺寸的網格。本報告中車架部件的網格算法采用協調分片算法。分析此模型，最小厚度為底板厚度30mm，為了保證計算精度，采用高階單元算法，厚度方向上至少需要劃分2層網格，故全局單元尺寸設置為15mm，單元類型為六面體主導的網格類型，以六面體網格為主導，局部內部填充使用四面體單元。最終劃分的網格單元數為26044，節(jié)點數為102768，如圖2所示。

2、材料模型

焊接的力學性能和熱物理性能參數對焊接過程數值模擬的結果和計算過程均有較大的影響，因此，也必然要對數值模擬的精度和準確性產生影響。結構件材料為Q235鋼，輸入的力學性能和熱物理性能參數（彈性模量、屈服極限、比熱容、熱導率、線膨脹系數、泊松比等）均與溫度相關，并在進行三維數值模擬時對材料高溫性能參數進行假設，查閱工程材料手冊可得到其主要參數隨溫度變化曲線，選取主要數據點如表1所示。

3、焊接串熱源模型及參數

高斯熱源模型指輸入熱流密度沿加熱中心的半徑方向為高斯函數分布。這種模型作為弧焊熱輸入方式的描述可以很好地模擬溫度場，進而得到較好的應力、應變數值結果。但這種模型需要在空間上將焊縫附近區(qū)域的網格劃分得很細，在時間上也要很多時間步進行迭代計算，計算量非常大。實際構件的工藝優(yōu)化若果用高斯熱源模型實現的困難很大。

點熱源模型是一種理想熱輸出方式，描述在空間中一個無尺寸的幾何點上輸出熱功率的大小。如果將段熱源模型用一組點熱源模型取代，形成一串點熱源，則既可以減少計算量，又有使用上的靈活性。這種用一組點熱源模型取代段熱源模型的作用而形成的熱源模型，稱為串熱源模型。對于串熱源的描述只需指明在哪些節(jié)點上輸入熱功率的大小及加熱時間。只要有節(jié)點即可施加點熱源，不受節(jié)點所在面形狀和方向的限制。而且可用鼠標直接點擊需要施加的位置，可不用子程序去描述。

首先，斑點中心最大熱流q_M及熱源集中系數K的公式得到：

在段熱源的基礎上，加熱長度為d的焊縫，單位時間內需要施加熱量為：

加熱時間為：

本文車架結構件的焊接工藝為C0₂保護焊，焊接熱參數如表2所示。

按照上述焊接參數表，可得長度為d的焊縫焊接單位時間內總輸入熱量為：

實際焊接時，將長焊縫分段，則每一小段的單位時間內的熱輸入僅與該段的長度有關，而加熱時間僅僅與該段的焊速有關，焊速一定，則為常量。將車架結構件所包含的40條焊縫順序用數字表示如圖3所示。

先將件2和件3與件1分別焊接，將所有焊縫標記為數字，共8條焊縫。

焊接工藝撐檔4和5，將所有焊縫標記為數字，共12條焊縫。在件2和件3的內側堆焊，共2條焊縫。焊接件6，共12條焊縫。焊接件2和件3的外側，共6條焊縫。

根據模型的幾何尺寸，焊縫如1、3、5、7的長度約為50mm左右，是所有主要焊縫中長度最小的，因此，本項目采用串熱源模型進行計算時，擬將所有的焊縫按照長度約為50mm進行分段，并根據本項目的焊接工藝參數及串熱源模型計算得到每一小段焊縫的熱流。

4、移動熱源APDL程序加載

采用分段移動的串熱源模型，其載荷施加的本質是，定義一個隨時間和空間變化的熱流，定義熱流隨時間變化主要是體現實際焊接過程中的焊接速度，定義熱流隨空間變化主要是體現實際焊接過程中的焊縫的逐步加熱。

目前，Workbench并不支持這種在線上施加隨時間和空間變化的熱流。為了能夠清晰描述并施加焊縫的焊接順序，方便檢查及糾錯，本文對每條焊縫分別編寫一個命令流，40條焊縫共添加了40個命令流。

車架部件的焊縫共有40條，按照長度約為50mm進行分段，可以將其分為196段，每段焊縫為一個時間求解步，所以，在創(chuàng)建加載的APDL命令流時，對分成1段焊縫的每個短焊縫施加一個載荷步，而對分割成許多小段的長焊縫，可以利用APDL的do循環(huán)語句施加多步載荷，多步載荷的步數與焊縫分割的段數一致。命令流較長，考慮篇幅所限，這里僅給出第一條焊縫的加載程序如下。

求解上述196個焊接熱量施加的時間步，可以得到車架部件焊接過程的溫度分布，注意在求解結果當中插入溫度結果這一項。求解多個時間步的問題，采用如下的APDL語言命令加載，其意義可以解釋為，順序求解載荷步的第1步到第196步，記錄每一步的計算結果。

lssolve，1，196

求解焊接熱變形時，將焊接瞬態(tài)熱分析的溫度結果直接傳遞給瞬態(tài)應力分析，首先在工程流程圖區(qū)建立瞬態(tài)應力分析模塊，將瞬態(tài)熱分析的幾何數據、材料數據、模型數據傳遞給瞬態(tài)應力分析，這樣在焊接變形分析時只需要定義問題的力學邊界條件及加載步即可。

加載時首先將模型的底板面向上方向固定，然后求解按照196個焊接熱量施加的時間步，便可以得到車架部件焊接過程的變形分布，注意在求解結果當中插入應力和變形結果這一項。求解多個時間步的問題，采用如下的APDL語言命令加載，其意義可以解釋為，順序求解由于焊接溫度引起的載荷步的第1步到第196步，記錄每一步的計算結果。

三、計算結果與試驗結果對比及誤差分析

計算溫度場、應力場、變形場均收斂，可以對計算結果進行后處理。對于焊接過程云圖，限于篇幅，本文僅給出焊接結束后結構件的焊接溫度場分布、變形場分布及殘余應力場分布。

1、溫度分布

車架部件焊接結束后溫度場分布如圖4所示，焊縫周圍的溫度分布較高，遠離焊縫區(qū)域溫度分布較小，并且整個結構的最高溫度約為9300℃，最低溫度為36℃，比室溫稍高。

2、變形分布及與實驗結果對比

進行實際焊接時，將底板自然放置于地面，然后將其余各板件進行點加固，然后逐條焊縫進行焊接。焊接結束后，測量平板l和平板2之間距離的變化，測量時選取的測點位于圖5的平板1和平板2的邊緣紅線上，經測量，發(fā)現平板l和平板2之間的距離變化為0.50mm。

按照實際焊接的測量結果，首先將部件結構變形圖以網格形式顯示，然后計算出與實際焊接時一致的兩條線的距離，最后將此距離與實際測量結果進行對比。為了比較更加可靠，這里計算兩條線距離的辦法是，PROBE出圖6所示的平板1上邊緣線各節(jié)點的位移，然后計算平均值，作為平板1邊緣線的變形，依此，可以得到平板2邊緣線的變形，具體節(jié)點位移及其平均值如表3所示。

由表3可見，車架部件焊接變形計算結果為0.56mm，實驗測試結果為0.50mm，二者的誤差為10.7%，在工程實際和項目要求的誤差15%的范圍以內，滿足要求，表明本報告所建立的焊接計算模型及算法是合理和可靠的，可以利用此方法進行后面有關車架焊接順序的優(yōu)化。

上述焊接變形圖的顯示與實驗測試是一致的，僅僅是一個方向的位移，實際上真正的變形是三個方向的位移的合成，即本次計算及本報告最關心的焊接變形場的分布，計算結果如圖7所示，這里給出的是總的位移變形場，可見，焊縫周邊節(jié)點的位移較小，而遠離焊縫的節(jié)點的位移較大，最大的焊接變形節(jié)點的位移為1.4mm左右。

3、焊接殘余熱應力分布

焊接結束后車架部件殘余應力的分布如圖8所示，可見，最大應力為7.5GPa，最小應力為0.18GPa，并且，焊縫周圍應力水平較高，其應力水平基本上超過了材料的屈服應力，使材料進入了塑性狀態(tài)，而遠離焊縫處基本保持較低應力水平。

四、結語

本文數值模擬計算得到叉車結構件的焊接溫度場、應力場及變形場。對于溫度場，焊縫周圍的溫度分布較高，遠離焊縫區(qū)域溫度分布較小，并且整個結構的最高溫度約為9300℃，最低溫度為36℃，比室溫稍高。對于應力場，焊縫周圍應力水平較高，其應力水平基本上超過了材料的屈服應力，使材料進入了塑性狀態(tài)，而遠離焊縫的地方基本保持了較低的應力水平。對于變形場，與實驗測試結果進行了對比，二者誤差為10.7%，在要求的誤差15%的范圍以內，表明本文所建立的焊接計算模型及算法是合理和可靠的，可以利用此方法進行后面有關車架焊接順序的優(yōu)化。焊縫周邊節(jié)點的位移較小，而遠離焊縫的節(jié)點的位移較大，最大焊接變形節(jié)點的位移為1.4mm左右。