摘要：以大型有限元软件ABAQUS为基础,进行二次开发,采用编程方法对T形梁的焊接过程进行数值模拟,并将数值模拟结果与相关的理论值及试验值进行对比分析。对比结果表明,数值试验结果与理论结果基本吻合,满足工程要求。
关键词：T型构件 残余变形 数值模拟
焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。但焊接是一个涉及到电弧物理、冶金、力学和传热的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中将产生很大的动态应力，焊后将产生相当大的焊接残余应力和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲)。焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力将影响构件的变形和焊接缺陷，而且在一定程度上还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。因此对焊接温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。
传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但仅从实验角度研究焊接热应力、焊后残余应力和变形问题难度很大，没有前瞻性，不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响，也就无法客观评价焊接质量。随着差分法、有限元法的不断完善，焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，但大量的试验增加了生产成本，耗费人力物力，尤其是军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中，任何尝试和失败都将造成重大经济损失，而数值模拟将发挥其独特的能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞速发展，为数值模焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。焊接过程中的物理现象包括焊接时的电磁、传热、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等，要得到一个高质量的焊接结构必须要控制所有因素。一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟，就可以通过计算机系统来确定焊接各种材料和结构时的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。
本文以大型有限元软件ABAQUS为基础,进行二次开发,采用编程方法对T形梁的焊接过程进行数值模拟,并将数值模拟结果与相关的理论值及试验值进行对比分析。对比结果表明,数值试验结果与理论结果基本吻合,满足工程要求。
1、焊接过程的实现
对焊接过程的数值模拟以ABAQUS软件为基础,并进行二次开发。首先利用编程手段将ANSYS软件中建立的模型导入ABAQUS ,再利用ABAQUS内部用户子程序DFLUX进行热源加载。采用间接耦合的方法，先对焊接过程进行热分析(包括冷却),然后转换成相应的结构单元进行应力、变形分析。焊接模拟过程中热流量被定义成椭圆形面高斯分布[1]。分布因子F描述包含于椭圆内热源的比例,定义如下：
F=ln（100/P）
式中:P为椭圆边上的热量密度百分比。
通过有系统地调整,并与所观察到的焊接熔池形状及温度分布图相匹配,即可得到F的合适值;分布热流量在ABAQUS中通过关键字*DFLUX定义。
2、实例分析
试验模型为T型焊接构件[2],其面板尺寸为200mm×600mm×12mm,腹板尺寸为200mm×200mm×12mm,试验采用CO2焊条电弧焊,焊接热输入为1500J/mm,焊脚6mm。试验模型材料为普通A级低碳钢。考虑到结构的对称性,取结构的一半建立有限元模型,对称面上取对称边界条件。在计算温度场时,结构外表面施加空气对流边界条件;计算应力场时,只需约束结构的刚体位移即可。
计算结果分析：
(1)温度场结果分析。温度场解析结果由下式求得[3],即
式中:
x为热源距起弧端距离;T0为焊接的初始温度;q为电弧有效热功率;λ为热导率;a为热扩散率;R为焊件上某点到热源中心的距离。数值试验结果与解析结果基本是一致的,但在某些位置还存在着一定误差。这主要是因为理论结果是半无限体的解析结果,而且没有考虑对流和热辐射的影响,而实例综合考虑了对流和热辐射的影响;其次,采用ABAQUS软件进行计算时,模型所用材料的热物理性能参数是变化的,而利用解析法计算时,其热物理性能参数是随温度变化的一个平均值。焊接温度的最高时刻比热源的移动滞后一段时间,这和理论研究[4-6]是一致的。以上结果分析表明,基于ABAQUS软件进行二次开发以模拟焊接过程的温度场是可行的。
(2)焊接变形结果分析。通过对焊接构件进行热力耦合分析可得到结构的焊接变形。由数值结果可知焊接后构件的最大垂向位移发生在面板平行于焊缝的一条边上,位移1.63mm。焊接过程中由于焊缝处金属的膨胀,面板先产生向下的垂向变形,而后由于焊缝处金属的收缩作用,面板迅速上移,并迅速稳定下来,这与文献[7]的研究结果一致。物理试验得到面板端点位移为1.6mm,数值模拟结果为1.63mm,误差2%,可见数值模拟和物理试验的结果吻合较好,采用该数值方法能够较好地模拟焊接过程。
参考文献
[1]潘际銮,展望21世纪焊接科研,中国机械工程,2000,11(1-2):21～25,35.
[2]程玉兰,红外诊断现场实用技术北京机械工业出版社,2002.
[3]陈楚,汪建华,杨洪庆.非线性焊接热传导的有限元分析和计算.焊接学报,1983,4(3):139～147.
[4]蔡洪能,唐慕尧.TIG焊接温度场的有限元分析.机械工程学报,1996,32(2):34～39.
[5]孔祥谦,有限单元法在传热学中的应用.第3版.北京:科学出版社,1998.
[6]张华,潘际銮.基于二维焊接温度场检测的三维温度场计算机模拟.焊接学报,1999,20(4):225～231.
[7]武传松,焊接热过程数值分析.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1990.