V形坡口對接有限元數(shù)值模擬分析

韓亮 白凱

摘 要：焊接是一個(gè)涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程。焊接殘余應(yīng)力對接頭的靜載強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和抗腐蝕性能都有著非常不利的影響；本文選取體生熱率熱源模型，利用ANSYS軟件的APDL語言編寫程序來實(shí)現(xiàn)焊縫熱源的移動(dòng)加載。運(yùn)用多層多道焊接過程的熱-彈-塑性有限元計(jì)算方法，對板厚12mm的V形坡口進(jìn)行溫度場模擬分析，找到溫度場分布規(guī)律。

關(guān)鍵詞：溫度場；焊接；模擬分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.025

1 建立幾何模型

根據(jù)試驗(yàn)構(gòu)件的實(shí)際尺寸，建立幾何模型，本模型尺寸為兩塊12mm×90mm×300mm的Q235鋼板，V形坡口為60°。

2 網(wǎng)格劃分

常見的網(wǎng)格劃分方法：

（1）選取面或者體，采用四面體或六面體自由劃分，常用的命令有：esize、amesh、vmesh。

（2）設(shè)置所有線的剖分細(xì)度或者等分?jǐn)?shù)，在對面或者體進(jìn)行掃掠劃分或者自由劃分，常見的命令有：vsweep、vemsh。

（3）建立一個(gè)面，對面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在拉伸成具有網(wǎng)格的體，常見的命令有：vext。

3 定義材料屬性

金屬的物理性能參數(shù)比如彈性模量，屈服應(yīng)力、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容等都隨溫度的變化而變化。但如今好多金屬材料的熱物理參數(shù)并不全，尤其是在高溫區(qū)域，比熱容和熱導(dǎo)率等還隨著實(shí)際塑性變形的變化而變化，因此必須在ANSYS分析過程中考慮熱物理參數(shù)。

4 焊接溫度場模擬

4.1 模擬焊接熱源

本次熱源模型采用體生熱率熱源。生熱率=（K×U×I）/（A×V×DT），試驗(yàn)過程采用的是CO2氣體保護(hù)，焊熱效率要低于氬弧焊，因此K值取0.55。U、I、V分別代表焊接電壓、焊接電流、焊接速度。

4.2 生死單元加載

ANSYS程序在工作過程中，并不是將“殺死”的單元從模型中刪除，而是將其剛度矩陣乘以一個(gè)很小的因子，因子默認(rèn)值為1.0E-6。死單元的單元載荷為0，從而不對載荷向量生效。如果單元“出生”，并不是將其加入到模型中，而是重新激活它們。

4.3 求解過程

整個(gè)求解過程總的來看分成熱源加熱和冷卻兩個(gè)過程。一共四道焊縫，由于加載熱源前要進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，算第1載荷步。

第一道焊縫的載荷步為2-31步，共30步。

第二道焊縫的載荷步為37-66步，共30步。

第三道焊縫的載荷步為72-101步，共30步。

第四道焊縫的載荷步為107-136步，共30步。

4.4 溫度場計(jì)算結(jié)果分析

第一道焊縫的持續(xù)載荷步為2-31步，焊縫第16步（中間位置）和第31步（結(jié)束位置）的溫度場如圖1、圖2所示：

根據(jù)圖中結(jié)果可知，隨著熱源的加載和移動(dòng)，對接板上的各點(diǎn)溫度呈現(xiàn)對稱分布，靠近熱源的溫度升高快，遠(yuǎn)離熱源的點(diǎn)升溫慢，板材遠(yuǎn)離熱源的部分溫度逐漸升高。31步時(shí)熱源周圍最高溫度為1651℃，溫度場分布穩(wěn)定，隨熱源均勻移動(dòng)，板上遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域溫度也從室溫25℃上升到了25.05℃。

第二道焊縫的持續(xù)載荷步為37-66步，焊縫第51步和第66步的溫度場如圖3、圖4所示：

這時(shí)第二道熱源繼續(xù)加載，在66步時(shí)熱源周圍的最高溫度為2150℃，這是由于第二道焊縫的焊接參數(shù)要大于第一道焊縫，同時(shí)在加工時(shí)，不可能有足夠長的時(shí)間來使焊完的板材冷卻到室溫之后再來加工下一道焊縫，前一道焊縫的熱能傳給了第二道焊縫。

第三道焊縫的持續(xù)載荷步為72-101步，第三道熱源加載后期，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)溫度場不再發(fā)生升高變化，只隨著熱源移動(dòng)，溫度場分布為橢圓形，呈現(xiàn)準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)說明網(wǎng)格劃分和時(shí)間步長的劃分都達(dá)到了要求，溫度場的數(shù)值模擬是準(zhǔn)確的。

第四道焊縫的持續(xù)載荷步為107-136步，模擬到2547.92s（146步）時(shí)，整個(gè)板材溫度一致，殘余應(yīng)力將不發(fā)生變化，這時(shí)就可以認(rèn)為模擬過程已經(jīng)結(jié)束，然后進(jìn)行分析。因?yàn)榻禍胤纫∮谏郎胤龋瑸榱斯?jié)約模擬時(shí)間，加快冷卻速度，最后3步（144步、145步、146步），每步時(shí)間步長為500s。整個(gè)板材溫度持續(xù)下降，焊縫區(qū)域溫度下降很快，和邊緣區(qū)域溫度趨同，144步和145步之間的溫差約為100℃，而145步和146步之間的溫差約為34℃，充分說明了溫度越與室溫接近，溫度下降越慢。

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