基于ANSYS的挖掘機鏟斗體焊接應力場模擬

季 鵬 ，吳 冬 ，殷晨波，蔣國進，戴晴華

(1.南京工業大學 車輛與工程機械研究所，江蘇 南京 210009；2.三一重機有限公司，江蘇 昆山 215300)

0 前言

焊接熱過程是影響焊接質量的重要因素之一，它包括電弧物理、金屬相變、傳熱和力學等復雜過程，由于焊接的高度集中熱輸入，焊件在冷卻之后容易產生較大的殘余應力和變形，會影響焊件裝配工藝和使用性能。在此運用ANSYS有限元軟件對鏟斗體進行焊接過程的模擬，先進行溫度場的分析，然后利用熱-力耦合方法，計算得到鏟斗應力場的分布規律。

1 計算流程

焊接有限元分析主要是溫度場和應力場分析，運用APDL編程首先分析焊接溫度場，然后將溫度場所得到的節點作為體載荷，加載到應力場分析中，計算得到應力場結果，其整體計算流程如圖1所示。

圖1 焊接過程模擬流程Fig.1 Welding process simulation flow chart

1.1 模型的建立

液壓挖掘機鏟斗體由三維繪圖軟件Pro／E建立，然后保存iges導入有限元分析軟件ANSYS中進行有限元網格劃分，其有限元模型及坡口形式如圖2和圖3所示。

圖2 鏟斗體幾何模型Fig.2 Geometric model of bucket body

圖3 焊縫坡口形式Fig.3 structure of weld groove

1.2 材料高溫性能參數

液壓挖掘機鏟斗體的材料為HG70，是一種高強度工程用鋼，抗拉強度為700 MPa，材料的熱力學性能和溫度有關，且呈現非線性，在ANSYS中，運用mptemp和mpdata命令建立材料在溫度下的參數，高溫處的物理性能保持不變[1-2]。

1.3 焊接熱源的處理與施加

運用內生熱的加載方式來模擬焊接熱源，通過ANSYS中的生死單元技術來實現焊接材料不斷填充焊縫的過程，先將焊縫有限元單元的剛度矩陣乘以一個很小的因子，近似為0，開始進行焊縫填充時，利用*DO-*ENDO命令激活相應的單元，并對其加載[3]。

1.4 相變影響

焊接過程中存在固液相變問題，則需考慮相變潛熱，在其變化過程中吸收和釋放熱量，當材料溫度超過熔點或者相變點時，在ANSYS中根據材料隨溫度變化的焓來考慮相變潛熱[4]，即式中 H為熱焓；ρ為密度；c（T）為比熱函數；T為絕度溫度。

1.5 邊界條件

焊接過程的邊界條件包括溫度場分析的邊界條件和應力應變分析的邊界條件[5]。將試件上下表面及周圍邊界當作換熱邊界條件處理，即

式中 n為邊界表面外法線方向；α為表面換熱系數，取常數為 10 W／(m2·K)；Ta為焊件溫度；T0為環境溫度，取室溫20℃。進行應力應變分析時，在底板上和立板內外側施加固定約束防止其移動，起到夾具的作用。

1.6 求解計算

首先進行溫度場求解，焊接溫度場的分析屬于典型的非線性瞬態傳導問題，在ANSYS中，采用牛頓-拉普森法，進行平衡迭代的同時修正剛度矩陣，打開自動時間步長，如果不收斂則會自動減小迭代步長，直至達到收斂。然后采用etchg、tts命令將熱分析單元轉換為結構單元，用ldread命令讀入，計算求解焊接應力場。

2 結果與分析

2.1 溫度場

焊接溫度場結果是應力場結果的基礎，同時溫度場對應力場分布規律有著直接的影響，在后處理中，焊接溫度場在進行蓋面焊時，最高溫度達到1662℃，如圖4所示。

圖4 溫度分布云圖Fig.4 The temperature distribution

2.2 應力場

選取立板外側對焊接應力場進行分析，圖5為從焊縫起點o開始沿著焊縫方向路徑的縱向應力分布規律，在前半部分表現為拉應力，最大拉應力在焊接冷卻后，達486.2 MPa。沿著焊縫方向，拉應力逐漸減小為零，在后半部分轉變為壓應力，最后又轉換為拉應力，其中最大壓應力達285.7 MPa。

圖5 縱向應力分布Fig.5 Vertical stress distribution

圖6為橫向應力分布，規律和縱向應力一致，在前半部分應力值變化比較平緩且數值小于縱向應力值，僅在焊縫彎曲部分拉應力值有較大的變化，最大值為403.5 MPa，在后半部分，最大壓應力值達201.6 MPa。

圖6 橫向應力分布Fig.6 Lateral stress distribution

圖7 厚度方向應力分布Fig.7 Thickness direction stress distribution

圖7為厚度方向應力分布，在前半部應力值呈現兩端達到極大值，分別為 225.6 MPa 和 334.8 MPa，中間走勢較為平緩且應力值不大；在后半部分表現為壓應力，最大值達205.5 MPa。

3 結論

（1）基于ANSYS軟件平臺，采用內生熱的加載方式來模擬焊接熱源，選取適當的熱邊界條件，運用單元生死技術模擬焊縫的填充整個焊接動態過程。

（2）運用APDL語言進行參數化編程，得到了焊接應力場分布，并對焊縫關鍵路徑進行了應力場分析。

（3）對鏟斗體關鍵焊縫進行數值模擬，提前預測了結構件的焊接殘余應力，為提高試驗時間和優化工藝參數提供了參考價值。

參看文獻：

[1]Tso-Liang Teng，Chih-Cheng Lin.Effect of welding conditions on residual stresses due to butt weld[J].Int.J.Pres.Ves.Piping，1998，7(512)：857-864.

[2]Dong P.Residual stress analysis of a multi-pss Birth weld：3-D special shell versus axisymmetric models[J].Journal of pressure technology ASME，2001(5123)：207-213.

[3]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS參數化編程與命令手冊[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]羅金華，梁曉燕.中厚板多道焊溫度場和應力場三維數值模擬[J].電焊機，2006，36(8)：32-35.

[5]朱 潔，戴晴華，殷晨波，等.200噸大型液壓挖掘機動臂體焊接有限元模擬[J].電焊機，2010，40(5)：184-186.