基于有限元軟件的薄板焊接接頭應(yīng)力變形模擬

陳銀銀

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州450000）

1 焊接溫度場的分析理論

在焊接過程中，焊接熱輸入和熱傳導(dǎo)對(duì)冶金過程、固態(tài)相變、組織性能和應(yīng)力應(yīng)變等都有重要的影響。焊接是一個(gè)局部快速加熱，然后部分熔化或者產(chǎn)生相變，并迅速冷卻的過程。隨著焊接熱源的移動(dòng)，焊接部位溫度場急速變化，材料的熱學(xué)性能也急劇變化。因此，焊接溫度場分析屬于典型的非瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。

2 熱源模型

在進(jìn)行焊接溫度場的數(shù)值計(jì)算時(shí)，研究人員通常把焊接熱源簡化為具有某種分布規(guī)律的熱流密度函數(shù)，用于計(jì)算不同焊接過程的溫度場。在現(xiàn)有數(shù)值模擬過程中通常采用的熱源模型有三種：高斯熱源、雙橢圓高斯熱源、雙橢球熱源，在Marc 中采用的是Goldak 提出的雙橢球熱源模型，此模型中熱流密度沿長軸呈高斯分布前半部分是1/4 橢球，后半部分是3/4 橢球。

3 焊接應(yīng)力場理論

材料處于彈性或者塑性狀態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)?

式中：f 為屈服函數(shù);

f0為與溫度和塑性應(yīng)變有關(guān)的屈服應(yīng)力的函數(shù)。

4 求解流程

基于有限元軟件MSC.MARC 的溫度場和應(yīng)力場分析流程圖如圖1 所示。

5 薄板焊接的有限元模型建立

薄板焊接過程模擬計(jì)算所采用的焊板尺寸為1200mm*200mm*6mm,焊板由兩塊600mm*200mm*6mm 鋼板焊接而成，為保證焊透，在鋼板焊接邊上加工600 坡口。

5.1 建立有限元網(wǎng)格模型

5.1.1 生成幾何平面，全過程如下:

依次輸入特殊點(diǎn)的坐標(biāo)，則點(diǎn)將自動(dòng)連成線，最后構(gòu)成了對(duì)接接頭的焊接模型面。面分為三個(gè)部分：兩塊母材區(qū)和焊縫區(qū)，如圖2 所示。

圖1 有限元法分析焊接溫度場和應(yīng)力場流程

圖2 幾何平面

5.1.2 生成二維平面單元，具體過程如下：

5.1.2.1 設(shè)置種子點(diǎn)。需注意的是設(shè)置種子點(diǎn)時(shí)應(yīng)使焊縫附近區(qū)域的點(diǎn)分布相對(duì)密集，離焊縫遠(yuǎn)的區(qū)域分布相對(duì)稀疏。因?yàn)闊o論是溫度場還是應(yīng)力場的分析計(jì)算對(duì)象都主要是焊縫及其附近區(qū)域。

5.1.2.2 劃分網(wǎng)格。有限元軟件MSC.MARC 可以全自動(dòng)地在平面或者曲面上生成四邊形或三角形網(wǎng)格。本文中模型采用三角形網(wǎng)格。根據(jù)下面步驟依次對(duì)平面的三個(gè)部分分別劃分。

5.1.2.3 定義母材和焊縫。每劃分完一部分網(wǎng)格，對(duì)其定義以方便后面進(jìn)行材料特性、幾何特性等參數(shù)的設(shè)置。

5.1.2.4 檢查網(wǎng)格質(zhì)量。二維單元?jiǎng)澐趾弥蟊仨殭z查網(wǎng)格質(zhì)量，因?yàn)榫W(wǎng)格質(zhì)量不好可能導(dǎo)致最后無法進(jìn)行分析。

5.1.3 由二維單元擴(kuò)展成三維實(shí)體單元。平面二維單元生成后則擴(kuò)展三維實(shí)體單元。此模型的擴(kuò)展是沿Z 方向，擴(kuò)展數(shù)為30 個(gè)單元，每個(gè)單元長度為2mm。

有限元網(wǎng)格模型建立完成。模型如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格模型

定義母材和焊縫后模型圖如圖4 所示。

圖4 定義母材和焊縫

5.2 定義幾何特性

幾何特性不需要將模型的三個(gè)部分分開定義。需要注意的是由于模型不僅要進(jìn)行溫度場分析而且要進(jìn)行應(yīng)力場分析，所以將所有單元定義為MECHANICAL ELEMENTS 而不是HEAT THRANSFER ELEMENTS。（圖5）

圖5 幾何特性定義

5.3 定義材料特性

有限元軟件MSC.MAR 中的材料數(shù)據(jù)庫中的材料種類很多。本模型中鋼板材料選用100Cr6，焊縫填充選用鋼41Cr4。定義完成后的材料特性如圖6 所示。

圖6 材料特性定義

5.4 定義接觸體

定義步驟和圖7 如下：

圖7 接觸體定義

5.5 定義初始條件

由于模型要作瞬態(tài)傳熱分析，所以需定義初始溫度場。如果不定義初始溫度，分析計(jì)算時(shí)程序自動(dòng)采用零溫度處理。本文中模型初始溫度定義為300C，初始給定溫度應(yīng)施加在所有單元節(jié)點(diǎn)上。（圖8）

圖8 初始條件的定義

6 結(jié)論

通過采用有限元軟件，建立對(duì)接接頭焊接模型，模擬焊接過程中瞬時(shí)溫度的變化，對(duì)分析焊接過程中，焊接熔合區(qū)和焊接熱影響區(qū)應(yīng)力應(yīng)變提供便利，也為薄板焊接過程中控制焊接變形提供理論依據(jù)。