叉架體焊接變形及應(yīng)力分布數(shù)值模擬

段全軍，姚喻淇

（1.杭叉集團股份有限公司，浙江 臨安311305；2.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安710072）

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展，叉車已成為倉庫等場地常用的搬運車輛之一，而叉架體作為叉車實現(xiàn)搬運功能的主要部件，其對于叉車的重要性不言而喻。一般而言，叉架體是將材料用焊接的方式結(jié)合在一起生產(chǎn)而成，其焊縫的條數(shù)可達到幾十甚至上百條[1]，而焊接過程中帶來的熱量必然會導(dǎo)致材料產(chǎn)生變形，并在一些部位留下殘余應(yīng)力，不同的焊接順序帶來的變形量及其導(dǎo)致的殘余應(yīng)力也是不同的[2，3]，因此，將有限元方法引入到叉架體焊接工藝設(shè)計中，可以為叉架體焊接工藝提供重要的設(shè)計依據(jù)[4，5]。

本文首先使用Hypermesh 軟件對叉架體的三維數(shù)模進行幾何修復(fù)并劃分網(wǎng)格，隨后將該模型導(dǎo)入Simufact.Welding 軟件對其焊接過程進行仿真，通過焊縫編號確定其焊接順序[6]，采用高斯雙橢球熱源模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)置了合理的熱邊界條件以及其他相關(guān)的求解參數(shù)[7]，最終得到了叉架體焊接結(jié)束后的溫度分布情況、應(yīng)力分布情況及變形分布情況，該結(jié)果可為叉架體焊接工藝提供重要的設(shè)計依據(jù)，并可用于焊縫順序的進一步優(yōu)化，從而達到最小的焊接后殘余變形。

1 有限元模型

1.1 網(wǎng)格模型

叉車部件的三維數(shù)模在叉車設(shè)計部門專業(yè)的三維繪圖軟件中完成，然后導(dǎo)出成IGES 格式的文件，再借助Hypermwsh 軟件導(dǎo)入該文件，對其進行幾何修復(fù)，修復(fù)后的模型如圖1 所示。

圖1 修復(fù)后的叉架體模型

接著劃分出可用于Simufact 軟件計算的網(wǎng)格模型，該模型劃分網(wǎng)格時主要采用六面體單元，對于某些不規(guī)則部分的邊界采用棱柱單元進行網(wǎng)格劃分，為保證仿真結(jié)果誤差較小并提高仿真效率，故選取較大的單元尺寸，其網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 叉架體的網(wǎng)格模型

1.2 焊接設(shè)置

本仿真中叉架體的焊縫順序如圖3 所示，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。

圖3 焊縫順序示意圖

實際焊接中采用的材料為Q345，而在simfact 材料庫中并未提供該種材料，在所有部件材料和焊槍材料均使用軟件中與之相近的德標為S355J2G3 的材料，對應(yīng)中國材料標號為Q355。仿真環(huán)境溫默認設(shè)為20°。

為方便提高計算速度，本仿真中叉架體結(jié)構(gòu)中均使用的是大熱源簡化的方式來求解。大熱源簡化是一種可以提高計算效率的簡化方式，其原理是忽略了焊接過程中對焊縫質(zhì)量的檢測，而把計算的重點放在了應(yīng)力、應(yīng)變及溫度場相關(guān)的數(shù)據(jù)上，由于本文的主要研究點在于焊接的變形量及殘余應(yīng)力，故在焊接仿真時熔池形狀可省略不作考慮。

1.3 邊界條件設(shè)置

本仿真中應(yīng)用了點固連接。點固被用于粘接兩個工件，在實際工裝中，在一個地方有“膠合”作用，在此附近會保持節(jié)點運動的一致性[8]。在Simufact 仿真中，選擇該處網(wǎng)格的節(jié)點位“點固”。當(dāng)電阻焊的過程本身不作為仿真考慮對象的時候，點焊就可以使用這種點固連接作為邊界條件來仿真[9]。

在叉架體的焊接仿真中，為防止部件與部件之間發(fā)生剛性位移，均采用上述的點固連接方式進行約束。由于焊縫的起點或終點一般位于部件的拐角處，故將部件的拐角處設(shè)置為點固連接的位置。

2 計算結(jié)果

Simufact 具有較為強大的后處理功能，其可以將仿真所得的數(shù)據(jù)直接繪制成各種云圖供用戶查看，另外Simufact 軟件中的Simufact.Welding 模塊可以仿真焊接的全過程，能夠?qū)⒛Ｐ驮谡麄€焊接過程中的溫度場、變形場和應(yīng)力場寫入結(jié)果文件中，并可以將其直接制作為動畫。

2.1 溫度分布云圖

圖4 為整個焊接過程中最高溫度分布云圖，該圖可以直觀的反映出焊接過程中每個位置的最高溫度，該結(jié)果可為分析焊接過程中的熱傳導(dǎo)提供重要參考。由該圖可以明顯看出，焊接的整個過程中，最高溫度可達1 500 ℃，而最低溫度與環(huán)境溫度接近，為20 ℃。

圖4 焊接過程中最高溫度分布云圖

圖5 為焊接完畢后的溫度分布云圖，由該圖可以看出，在焊接剛結(jié)束時，叉架體大部分區(qū)域的殘余溫度在200 ℃左右，其中，殘余溫度的最高值位于最后一條焊縫處，其數(shù)值已超過300 ℃。

圖5 焊接結(jié)束時的溫度分布云圖

2.2 應(yīng)力分布云圖

圖6 為焊接完畢后的應(yīng)力分布云圖，由該圖可以看出，經(jīng)歷了整個焊接過程后，叉架體的最大殘余應(yīng)力可達到623 MPa，其位置位于鉸片的焊縫處；而部分區(qū)域并沒有產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這些區(qū)域具有一個共同點——他們都位于距離焊縫較遠的位置。

圖6 應(yīng)力分布云圖

叉架體所用的材料為S355 鋼，其屈服應(yīng)力為355 MPa，圖7 所示為屈服區(qū)域圖，該圖中將材料屈服應(yīng)力（即355 MPa）設(shè)為閾值，由此可以看出，殘余應(yīng)力高于閾值的區(qū)域主要集中在焊縫附近，由于該區(qū)域的變形是永久塑性變形，故其對于叉架體的性能有較大影響。由該圖可以看出，該區(qū)域相對于整個叉架體而言，其面積較小。

圖7 屈服區(qū)域圖

2.3 變形分布云圖

圖8 為焊接完畢后的總變形分布云圖，由該圖可以看出，經(jīng)歷了整個焊接過程后，叉架體的最大變形約為2 mm，位于耳片附近。

圖8 總變形分布云圖

3 結(jié)論

本文針對叉車叉架體的三維有限元模型進行了網(wǎng)格劃分，通過焊縫編號確定其焊接順序，采用高斯雙橢球熱源模型，在此基礎(chǔ)上設(shè)置了合理的熱邊界條件以及其他相關(guān)的求解參數(shù)，最終得到了叉架體焊接結(jié)束后的溫度分布情況、應(yīng)力分布情況及變形分布情況。

Simufact 軟件具有較為強大的后處理功能，其可以將仿真所得的數(shù)據(jù)直接繪制成各種云圖及動畫供用戶查看，除此之外，該軟件還具有良好的操作界面，其Simufact.Welding 模塊能夠完成對于復(fù)雜焊接過程的有限元仿真，并提供用戶所需的多項輸出。

本文中采用的網(wǎng)格模型、熱源類型、焊縫順序及屬性等與實際的焊接情況十分接近，并可以推廣到類似的焊接問題求解中，仿真中得到的溫度場、變形場、殘余應(yīng)力場具有一定的工程參考價值。最后，本仿真模型可以用于對于焊縫順序的進一步優(yōu)化，以求達到最小的焊接后殘余變形。