某型車架焊接變形及應力分布數值模擬研究

戚海勇 徐 剛

（杭叉集團股份有限公司，杭州 311305）

焊接是一個涉及電弧物理、傳質傳熱、冶金和力學的復雜過程，單純采用理論方法，很難準確地解決生產實際問題。數值模擬是對具體對象抽取數學模型，然后用數值分析方法，通過計算機求解。

王軍等采用ANsYs分析了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[1]。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[2]。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[3]。莫春立等、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[4-6]。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[7]。

本文針對某型叉車車架建立了有限元模型，確定了焊接過程中的焊縫順序、焊接邊界條件，從而利用有限元計算模擬了焊接的過程。通過對比實際焊接結果與計算結果變形差異，確定焊接仿真方法的合理性。

1 計算模型

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，由于CAD模型通常不會考慮CAE分析的需要，首先對CAD模型進行修復和簡化。

將修復簡化好的車架三維實體模型，將其導入hypermesh當中進行網格單元劃分，由于simufact只支持3D實體單元，故模型網格劃分均采用六面體單元，部分不規(guī)則邊界采用三角柱體形單元劃分，網格尺寸決定了分析軟件的計算時間，因此在保證焊接仿真結果誤差范圍精度的前提下對模型的網格需要盡量放大單元網格尺寸，最后將網格導入simufact.welding，創(chuàng)建車架的仿真進程，并設置焊縫位置，焊縫方向及焊接的順序，如圖1所示。

依照實際工程生產工藝提供的焊接工件約束條件在仿真中添加相應的固定約束。固定件位置有三個，這些約束的位置與實際生產中夾持件的位置一致，這里把夾持力等效為simufact.welding里面的有效力學邊界模型。固定約束位置示意圖如圖2所示。

圖1 焊縫位置及方向定義圖

圖2 固定夾具位置示意圖

2 計算結果及分析

最終結果表明，計算溫度場收斂，計算應力場及變形場也收斂，可以對計算結果進行后處理，這里給出焊接過程云圖及焊接結束后的溫度場、應力場、變形場。

2.1 變形分析及結果對比

根據焊接變形理論，構件的變形通常用某些特殊的變形量或者沿某一條路徑的變形量來衡量。本報告取沿Z軸、Y軸和X軸方向的變形量，將試驗結果和仿真結果加以對比，以此驗證仿真模型的可靠性。

在Z向選擇如圖3所示的3條參考線，將仿真結果和試驗的構件熱變形加以對比，得到的結果如表1所示。

圖3 Z向對比參考線

表1 Z向對比結果

從表1可以看出，仿真結果和試驗結果擬合良好，相對誤差多控制在15%以內，表明本仿真結果真實可靠，可以為實際的焊接工作提供參考。

在Y向選擇如圖4所示的5條參考線，將仿真結果和試驗的構件熱變形加以對比，得到的結果如表2所示。L1、L2取車架右側，L3取車架中間，L4、L5取車架左側。

圖4 Y向對比參考線

表2 Y向對比結果

圖5 X向對比參考線

表3 X向對比結果

從表3可以看出，仿真結果和試驗結果擬合良好，相對誤差多控制在10%以內，表明本仿真結果真實可靠，可以為實際的焊接工作提供參考。

2.2 溫度分布

圖6為焊縫溫度分布云圖，其顯示的是所有焊縫上曾經出現的最高溫度，它詳細地記錄了每時每刻焊接工件上的溫度場分布情況，對分析焊接過程熱傳導有著重要的參考意義。從圖6中可以看出，在焊接時焊縫的最高溫度約為1517℃，最低溫度仍接近室溫20℃，且高溫區(qū)域較為集中。

圖6 焊縫溫度分布云圖

2.3 應力分布

圖7顯示了焊接完成后的應力分布云圖，其表明焊接完成后的最大殘余應力約為450MPa，在遠離焊縫的區(qū)域應力最小值約為0MPa。車架材料為Q235鋼和Q345鋼，Q345鋼的屈服應力較大，其屈服應力為345MPa。將應力顯示閥值設為該值，則紅色區(qū)域顯示了殘余應力高于該值的區(qū)域，表明在焊接過程中焊縫處的應力值超過了兩種材料的屈服應力，該區(qū)域發(fā)生了永久塑性變形。從圖中看出塑性變形區(qū)域集中在焊縫附近，面積相對于整體車架較小。

圖7 應力分布云圖

3 結語

本文針對某型叉車焊接車架的三維數模進行了網格劃分、焊縫編號，采用高斯雙橢球熱源模型，設置合理的熱邊界條件及求解參數，最終得到叉車車架焊接結束后的溫度場、應力場及變形場。

通過對比車架模型焊接變形的實測值和仿真計算值，筆者驗證了simufact.welding對焊接變形數值求解的準確性與可靠性。焊接后殘余變形的對比表明有限元仿真的誤差基本在10%以內，與試驗結果擬合良好。因此，本仿真的建模方法、熱源選用、焊縫設置等能夠反映真實的焊接情況，在此基礎上得到的溫度場和殘余應力場具有一定的工程參考價值。