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赵尚超等 焊接接头残余应力数值模拟 75 焊接接头残余应力数值模拟 赵尚超 李晓苏 靳丽莉 1 大连交通大学土木与安全3 程学院 辽宁大连116028 2 广西大学土木建筑3 程学院 南宁530004 摘要 焊接计算软件盛行 然因其考虑因素不够全面 结果缺乏准确性 本文用有限元分析软件AN SYS 编程模拟焊接接头的残余应力的大小和分布 模拟结果和试验结果比较吻合 证明了方法的实用价值 最 后以宏文件形式形成程序块内嵌到软件中 便于计算和应用 关键词 残余应力 有限元 数值模拟 中图分类号 TU391 文献标识码 B 文章编号 1001 6864 2012 05 0075 03 COM口E UTER S删LATION oF RESmUAL STRESS IN WELDING JOINT ZHAO Shang chao LI Xiao SH JIN Li 1i 1 School of Civil and Safety Engi Dalian Jiaotong Univ Liaoning Dalian 1 16028 China 2 College of Civil Engi and Architecture Guangxi Univ Nanning 530004 China Abstract Welding calculation software iS widely used Factors involved in leSS and then the results lack accuracy In this paper by finite element analysis software ANSYS the size and distribution of resid ual stress of welded joints is program simulated Simulation results and test resuhs are more consistent practical value of this method is proved Finally the formation block of macro file format is embedded into the softwal to facilitate the calculation and application Key words residual stress finite element computer simulation 随着我国机械制造业的迅猛发展 开拓了焊接结 构的应用与设计的新阶段 然而 近年来焊接结构的 破坏时有发生 究其原因是焊接产生的残余应力加剧 结构应力集中 使焊接接头的强度下降 所以准确的 了解焊接残余应力分布形式以便调控残余应力仍是 一个极为重要的课题 传统的试验方法多为破坏 性试验 耗费大量人力 物力 有限元模拟虽然取得 了很大进展 但考虑的因素不够全面 结果不够准确 本文以某型号挖掘机盖板所用钢为试验材料 应 用大型有限元软件ANSYS 对强度较薄弱部位的对 接带垫板接头焊接过程中残余应力进行计算机模拟 模拟结果与实验结果一致 证明了该方法具有重要的 理论和实际应用价值 1 实验模型 实验母材为某型号挖掘机的动臂盖板材料 16Mn 合金钢 有着优良的机械综合性能 是一种具有较好 焊接性的钢种 焊接试样尺寸为200mm X 200mm X 10mm 垫板尺寸200mm X 20ram 5mm 坡口角度为 60 的V型坡口 焊条类型为MK J607RH 焊接细部 示意图和有限元模型如图l 焊后余高均值为2mm 焊缝区有限元网格控制在lmm以下 图l接头有限元模型图 表1 随温度变化的温度场的热物理性能参数 温度 20 250 500 750 1000 1500 2000 导热系数 XlO一 5 1 17 47 55 39 4 28 9 30 35 l10 W 1II rI 密度p lO一 7 867 7 786 77l 7 6D2 7 552 7 268 6 924 g mill 3 比热C 0 4596 0 5345 0 684 1 191 0 55 0 75 0 78 J g 换热系数口 10 3 I 3 05 5 2 10 15 30 31 76 低温建筑技术 2012年第5期 总第167期 表2 随温度变化的应力场的物理性能参数 2程序设计 不考虑温度场和应力场的耦合影响 应力做功对 温度的影响较小 先进行瞬态热分析 将瞬态热分 析的载荷步结果作为体载荷施加到结构应力分析中 去 采用ANSYS软件的APDL语言编程实现 2 1物理性能参数 一般随温度变化 焊接时局部加热到很高温度 物理性能变化很大 若不考虑材料的性能随温度变 化 将会造成较大误差 本文采用比热容突变来考虑 液固相变潜热的影响 在熔点附件给比热一个很大突 变值 物理性能参数如表1和表2 假设母材和焊缝 金属材料相同 所示 2 2热源模型 开破口的焊缝或填角焊缝等 应将热源作为焊缝 单元的内部生热处理 以生热率的形式施加载荷 同 时考虑金属的填充作用 利用生死单元法 逐步将填 充焊缝转化为生单元参与计算中 有效地热输人量 转换成单位体积 单位时间的热生成强度 Q rlUI V 式中 为电弧热效率 U为焊接电压 V 为焊接 电流 A V为焊缝单元的体积 mm 本模型的焊接参数为 焊接电压24V 焊接电流 120A 焊接热效率0 75 焊接速度10mm s 单位载荷 步焊接单元的体积为 V 3 2 x tan 30 6 3 6 4 155 088ram 9 盟 13 92W mm V 155 088 整个求解过程分为加热和冷却两个部分 加热过 程设定为20s 为简化计算 本文建模时让两道焊的横 截面的面积相同 故每道焊的焊接时间为10s 焊接 方向的单元尺寸为2mm 每步时间步长为0 4s 冷却 时间为1000s 随着冷却的时间增加 步长逐渐增大 2 3温度场的计算 本文实验焊缝为2道焊 利用ANSYS的 生死 单 元技术 在开始的时候将焊缝单元全部 杀死 在第 一层焊接时 以4mm单元长度为一载荷步 使单元逐 步进入 生 的状态 第二道采用同样的方法 两道焊 的间隔时间为10s 焊接温度场为典型非稳态温度场 在焊接的不同 时刻 其温度分布不同 本文在焊接开始和开始冷却 的时间步长较小 随冷却时间增加 步长逐步增大 图2一道焊8s的温度场云图 l350 371 l lO3 662 856 954 61o 246 486 892 240 1o4 一 I 一 图3二道焊8s温度场云图 篓 0 2O 40 6D 80 100 DIST 图4一道焊焊缝中心线 不同时刻温度场曲线 L上 并 一 毛 0 2O 40 60 80 1o0 DIST 图5二道焊焊缝中心线 不同时刻温度场曲线 焊接热源的温度场呈椭球形 整个试样散热较 快 一道焊完成10s后焊接部位的温度将为120 C左 右 一道焊的焊接温度 相当于二道焊的预热温度 有助于降低二道焊接温度场的温度梯度 图4为一道 6 2 46 8 9 246 8 O 7 0 24 6 0l 3 5 7 2 7 80 8 999 9 9 5 3 0 7O1 85 2 4 6 74 9 90 9 8 76 5 3 22l 赵尚超等 焊接接头残余应力数值模拟 焊的4 6 8s中心不同点温度场 热源前段温度梯度较 大 这与实际相符 图5为二道焊的4 6 8s焊缝中心 不同位置温度场 基本形状与一道焊相同 但由于一 道焊的加热 使热源后部温度梯度减小 2 4焊接应力场的计算 利用ANSYS的热一结构单元转换 将热分析单元 转换为结构分析单元 输入力学参数 结构分析的 约束条件为模型左端所有节点全约束 将温度场计 算得到的温度增量载荷 逐渐加到结构单元求解中 计算焊接过程中动态应力应变和最终残余应力 图6冷却到室温的横向残余应力 图7冷却到室温的纵向残余应力 图8显示在焊缝方向的纵向残余应力均是拉应力 而且多在焊缝中部 横向残余应力则是中部为拉伸残 余应力 端部为较大的拉伸残余应力 纵向残余应力 量 皇 R 距离焊趾2n沿焊缝方向的距离 图8横向与纵向残余应力分布图 图9显示远离焊趾时 横向残余应力和纵向残余 应力均减小 横向残余应力逐渐减小到0 纵向残余应 力逐渐变为压应力 整个应力场控制范围在20ram左 右 在熔合区附近存在较大的横向和纵向残余应力 这是造成焊接冷裂纹的重要原因 350 508 255 329 皇 最160 149 64 969 一30 211 一l25 392 一 攀鞯 0 6 046 12 092 18 138 24 184 30 226 DIST 焊缝中部距离焊趾垂直焊缝方向的距离 图9横向与纵向残余应力分布图 240 160 80 倒 匠0 蜒 80 一l6O 焊缝中部距离焊趾2mm 部 0 200 400 600 800 1000 时间 自 图10焊缝附近横向应力随时间变化曲线 图10显示 端部和中部距离焊趾2mm的横向残 余应力随时间的变化曲线 在lOOs之后残余应力基本 保持不变 即焊接热源离开后的冷却过程基本为弹性 卸载 残余应力基本保持不变 3结语 本文采用有限元法 对焊接试样进行三维有限元 数值模拟分析 分析出对接带垫板接头的残余应力大 小和分布情况 模拟结果与前人结果一致 证明该方 法有重要的实用价值 在实际生产中 不但可节省试 验时间 且能节省生产成本 提高工作效益 参考文献 1 陈楚 等 数值分析在焊接中的应用 M 上海 上海交通大 学出版社 1985 2 ANSYS经典产品高级分析技术和实例详解 M 北京 中国水 利水电出版社 2005 3 李冬林 焊接应力和变形的数值模拟 D 武汉 武汉理工大 学 2O03 3 收稿日期 201I一12 21 作者简介 赵尚超 1986一 男 哈尔滨人 硕士 研究方向 疲劳与断裂应用