鋁合金焊接件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形有限元分析

王 亮

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

鋁及鋁合金材料在工業(yè)生產(chǎn)中具有優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和較強(qiáng)的耐腐蝕性等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)工業(yè)市場(chǎng)內(nèi)鋁合金制品已實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用?？紤]到鋁合金制品的硬度相對(duì)低，因此在使用此種材料進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，可采用對(duì)鋁合金制品進(jìn)行焊接的方式制作[1]。但鋁合金焊接件在投入市場(chǎng)應(yīng)用的過(guò)程中受到應(yīng)力結(jié)構(gòu)及其變形的影響，為此需要更好地掌握鋁合金焊接件變形與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的關(guān)系。總之，截至目前鋁合金焊接件已被我國(guó)廣泛應(yīng)用到電子產(chǎn)業(yè)、航空航天生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域，一些常規(guī)的發(fā)電機(jī)也均在某種程度上做到了使用鋁制品代替銅制品，因此鋁合金焊接件在當(dāng)下市場(chǎng)的應(yīng)用前景是較為廣闊的。

1 鋁合金焊接件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形有限元分析方法

1.1 基于過(guò)渡法構(gòu)建有限元分析模型

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)合金焊接件結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形的有效分析，本章采用劃分有限元網(wǎng)格的方式，構(gòu)建有限元分析模型。在此過(guò)程中，網(wǎng)格規(guī)劃的合理性與有限元計(jì)算機(jī)結(jié)果的準(zhǔn)確率具有較為直接的聯(lián)系[2]。綜合上述分析，在構(gòu)建模型網(wǎng)格過(guò)程中，可引進(jìn)網(wǎng)格過(guò)渡法進(jìn)行設(shè)計(jì)。過(guò)渡法結(jié)構(gòu)可參照如下圖1。

圖1 網(wǎng)格過(guò)渡法

按照上述圖1中內(nèi)容構(gòu)建模型有限元網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，在此過(guò)程中，考慮到鋁合金焊接件的焊接過(guò)程屬于一種受熱不均勻過(guò)程，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)，通常會(huì)選擇非均勻網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在焊接或其附近區(qū)域，可利用加密網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，反之，在鋁合金焊接件平滑區(qū)域，可選擇稀疏網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[3]。同時(shí)，應(yīng)注意網(wǎng)格的設(shè)計(jì)應(yīng)確保每個(gè)單元尺寸具備一定協(xié)調(diào)性。因此，在完成對(duì)網(wǎng)格的設(shè)計(jì)后，需要同步采用差值計(jì)算的方式，選擇集成的六面體單元作為有限元分析模型的邊界結(jié)構(gòu)。

1.2 模擬鋁合金焊接件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力

在完成對(duì)有限元分析模型的構(gòu)建后，可采用將鋁合金焊接件與混凝土節(jié)點(diǎn)耦合的方式，對(duì)鋁合金焊接件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行模擬。在此過(guò)程中，考慮到采用個(gè)體切割法難度較高，因此本文選擇直接耦合法進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分析?；静襟E如下。

根據(jù)鋁合金焊接件結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行實(shí)體模型的構(gòu)建（無(wú)須考慮焊接點(diǎn)力筋）→根據(jù)焊接點(diǎn)位置處力筋的分布構(gòu)建分析模型（不考慮焊接件實(shí)體結(jié)構(gòu)）→將焊接件的實(shí)體結(jié)構(gòu)與力筋進(jìn)行獨(dú)立處理→選擇與力筋相關(guān)的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)（在有限元模型中執(zhí)行nsll命令）→按照焊接點(diǎn)順序?qū)δＰ团c實(shí)體進(jìn)行對(duì)應(yīng)耦合（建議使用cp指令，否則在cpintf指令下節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生其他耦合現(xiàn)象）→對(duì)耦合的模型進(jìn)行邊界條件規(guī)劃（施加負(fù)荷求解）。

綜合對(duì)有限元模型的分析可知，鋁合金焊接件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力在耦合預(yù)緊狀態(tài)下，其等效應(yīng)力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力是呈現(xiàn)一種非線(xiàn)性關(guān)系的。對(duì)此，繪制鋁合金焊接件最大等效力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力關(guān)系圖，如下圖2所示。

圖2 鋁合金焊接件最大等效力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力的關(guān)系

根據(jù)上述圖2，可以顯著地看出，鋁合金焊接件最大等效力與結(jié)構(gòu)應(yīng)力的關(guān)系可分別劃分為三個(gè)階段。其中第一個(gè)階段為外界作用力較小的階段（結(jié)構(gòu)應(yīng)力在0kN～5.0kN范圍內(nèi)），此時(shí)焊接件的等效應(yīng)力隨著外界作用力的增加先略有減低再增加。第二個(gè)階段為外界作用力持續(xù)加大的階段（結(jié)構(gòu)應(yīng)力在5.0kN～10.0kN范圍內(nèi)），此時(shí)焊接件的等效應(yīng)力隨著外界作用力的增加變化相對(duì)平緩（緩慢增加趨勢(shì)）。第三個(gè)階段為外界作用力進(jìn)一步增加階段（結(jié)構(gòu)應(yīng)力在10.0kN～15.0kN范圍內(nèi)），此時(shí)焊接件的等效應(yīng)力隨著外界作用力的增加快速增加。

1.3 計(jì)算不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力下的變形位移結(jié)果

在完成對(duì)鋁合金焊接件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的模擬與分析后，考慮到金屬構(gòu)件應(yīng)用對(duì)于鋁合金焊接件的撓度（L）要求相對(duì)較高。因此，選擇L=600.0作為撓度標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力下的變形位移結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中，需要按照傳統(tǒng)的計(jì)算方法，給定結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力的明確值，以此種方式解析鋁合金焊接件變形位移。計(jì)算公式如下。

公式（1）中：σe表示為在指定結(jié)構(gòu)應(yīng)力下鋁合金焊接件的變形位移量；Mk表示為鋁合金焊接件的預(yù)緊作用力（計(jì)算單位表示為MPa）；α表示為預(yù)緊系數(shù)，通常情況下表示為常數(shù)；d表示為鋁合金焊接件的公稱(chēng)直徑（計(jì)算單位為mm）；Kc表示為鋁合金焊接件的荷載因子；F表示為鋁合金焊接件的橫向載荷；β表示為定義唯一計(jì)算結(jié)果屬于無(wú)鋼量載荷情況。簡(jiǎn)化處理上述計(jì)算公式。如下公式（2）所示。

2 實(shí)驗(yàn)論證

為了證明上述設(shè)計(jì)的有限元分析方法在鋁合金焊接件結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形分析中的有效性，本章選擇某金屬生產(chǎn)制造公司中，正處于生產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)的鋁合金焊接件作為此次論證的對(duì)象。應(yīng)用本文提出的有限元分析方法，對(duì)鋁合金焊接件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)在不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力下，鋁合金焊接件的變形結(jié)果。變形結(jié)果如下表1所示。

表1 鋁合金焊接件在不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力條件下的變形結(jié)果

如上述表1所示內(nèi)容，在不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力條件下，鋁合金焊接件的變形結(jié)果是呈現(xiàn)不同位移結(jié)果的，因此證明本文提出的有限元分析方法在實(shí)際應(yīng)用中，具備一定有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了進(jìn)一步滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，提升鋁合金焊接件制品在市場(chǎng)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)能力，本文將以鋁合金焊接件為例，對(duì)其結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形進(jìn)行有限元分析，以此種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金焊接件生產(chǎn)過(guò)程與焊接流程的優(yōu)化。并在完成對(duì)其的分析后，選擇某金屬生產(chǎn)制造公司中，正處于生產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)的鋁合金焊接件作為實(shí)驗(yàn)論證的對(duì)象，證明本文提出的有限元分析方法，在不同結(jié)構(gòu)應(yīng)力下，得出的變形位移結(jié)果是不同的，因此說(shuō)明了本文提出的有限元分析方法更為有效。