基于ANSYS模擬不同參數(shù)對(duì)Q235鋼板焊接殘余應(yīng)力的影響

張宛玉 韓鴻彬 劉 恒 牛哲薈 韓東偉

焊接是一個(gè)涉及多學(xué)科的復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，但成本、時(shí)間、作業(yè)方法的干擾較大[1-2]。通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，可以定性、定量地分析各種復(fù)雜的焊接問(wèn)題[3-4]。基于ANSYS軟件能夠運(yùn)用熱力分析功能計(jì)算焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)[5]，且Q235鋼材為焊接常用結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的焊接性能，本文利用ANSYS軟件模擬Q235焊接的電流和電壓以及焊接速度對(duì)焊接材料殘余應(yīng)力的影響，為焊接工藝質(zhì)量過(guò)程控制提供理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 有限元模型

焊接幾何模型選兩平板的對(duì)接焊。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，根據(jù)模型的對(duì)稱(chēng)性采用一半的樣板進(jìn)行模擬。計(jì)算中只考慮溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響，不考慮應(yīng)力場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的作用。采用間接法計(jì)算焊接應(yīng)力，先進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，后將瞬態(tài)熱分析得到的溫度場(chǎng)作為體載荷加載到結(jié)構(gòu)中，進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)求解。采用過(guò)渡網(wǎng)格劃分形式，在焊縫附近及邊緣采用solid70單元映射網(wǎng)格劃分，單元尺寸分別為1mm和4mm，在焊縫及附近采用較細(xì)的網(wǎng)格劃分，遠(yuǎn)離焊縫處采用較粗大的網(wǎng)格。中間兩個(gè)過(guò)渡區(qū)域采用solid90自由網(wǎng)格劃分。這兩種單元體每個(gè)節(jié)點(diǎn)處只有一個(gè)溫度自由度，有3個(gè)自由度，即x，y，z3個(gè)方向上的位移度。整個(gè)模型包括29759個(gè)單元體，43648個(gè)節(jié)點(diǎn)。

1.2 熱物理性能

焊接材料的熱物理性能為非線性的、瞬態(tài)的，材料屈服服從Mises屈服準(zhǔn)則和雙線性等向強(qiáng)化模型，雙線性等向強(qiáng)化模型采用一個(gè)雙折線來(lái)表示應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。Q235的力學(xué)性能和熱物理性能參數(shù)[5]如表1所示。

表1 Q235材料的熱物理性能參數(shù)

1.3 熱源模型

高斯熱源模型是一種分布熱源模型，又稱(chēng)正態(tài)分布熱源模型。焊接時(shí)，電弧熱源通過(guò)一定的作用面積將熱能傳遞給焊件，這個(gè)面積成為加熱斑點(diǎn)。加熱斑點(diǎn)上熱量分布是不均勻的，中心多而邊緣少，加熱斑點(diǎn)上的熱流密度分布可以近似地用高斯函數(shù)來(lái)描述。高斯熱源模型如圖1所示。

圖1 高斯熱源模型

高斯熱源模型的表達(dá)式為：

式中，U為電弧電壓，I為焊接電流，為焊接電弧功率有效利用系數(shù)，R為電弧加熱有效半徑，r為某點(diǎn)距離焊縫中心的徑向距離。

2 焊接溫度場(chǎng)模擬

采用間接法計(jì)算焊接應(yīng)力時(shí)，準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果是必不可少的。表2為計(jì)算焊接溫度場(chǎng)所用的計(jì)算參數(shù)。

表2 焊接溫度場(chǎng)計(jì)算參數(shù)

如圖2所示，（1）、（2）、（3）分別為編號(hào)1、2、3的焊接參數(shù)，當(dāng)焊接熱源到達(dá)焊縫中間時(shí)的焊接溫度場(chǎng)云圖。如圖所示，對(duì)比（1）（2）可知，其它焊接條件一定，焊接電流較大時(shí)，焊接溫度場(chǎng)的有效作用面積較大。如圖所示，對(duì)比（2）（3）可知，其它焊接條件一定，焊接速度較大時(shí)，焊接溫度場(chǎng)的有效作用面積較小，并且焊接速度較大時(shí)焊縫處的最高溫度較低。

圖2 溫度場(chǎng)云圖

3 焊接殘余應(yīng)力模擬

焊接縱向殘余應(yīng)力對(duì)樣板各項(xiàng)性能參數(shù)的影響較大，提取圖3所示直線L與焊縫垂直平分線上的縱向殘余應(yīng)力進(jìn)行研究。

圖3 與焊縫的垂直平分線

3.1 電壓電流對(duì)焊接板材殘余應(yīng)力的影響

研究焊接電壓和電流對(duì)焊接樣板殘余應(yīng)力的影響，計(jì)算時(shí)焊接選取參數(shù)如表3所示。

表3 電壓電流參數(shù)

圖4所示為不同焊接電壓和電流條件下，其他焊接條件不變時(shí)，直線L上樣板焊后縱向殘余應(yīng)力曲線。

圖4 不同焊接電壓和電流條件下直線L上的焊后縱向殘余應(yīng)力

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，焊接電壓和電流較大時(shí)，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力較大，近焊縫處的縱向殘余拉應(yīng)力也相應(yīng)較大。這是因?yàn)楹附铀俣纫欢ǎ附与妷汉碗娏鬏^大時(shí)，焊接熱輸入也較大，焊接線能量也較大，焊接熔池相應(yīng)增大，熔深相應(yīng)加深。樣板冷卻后，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力增大，近焊縫處的殘余拉應(yīng)力也增大。

3.2 焊接速度對(duì)焊接板材殘余應(yīng)力的影響

研究焊接速度對(duì)焊接板材殘余應(yīng)力的影響，計(jì)算時(shí)焊接參數(shù)如表4所示。

表4 焊接速度參數(shù)選取

圖5所示為不同焊接速度條件下，其他焊接條件不變時(shí)，直線L上樣板焊后縱向殘余應(yīng)力曲線。

圖5 不同焊接速度條件下直線L上的焊后縱向殘余應(yīng)力

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，焊接速度越小，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力越大，近焊縫處的殘余拉應(yīng)力也越大。這是因?yàn)楹附铀俣容^小時(shí)，焊接熱源作用在焊縫處的時(shí)間較長(zhǎng)，使得焊接熱影響區(qū)相應(yīng)擴(kuò)大，焊接線能量相應(yīng)增加，焊接熔池相應(yīng)增大，熔深也相應(yīng)加深。樣板冷卻后，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力增大，近焊縫處的殘余拉應(yīng)力也增大。

4 結(jié)論

4.1運(yùn)用大型有限元模擬軟件ANSYS模擬了Q235焊接過(guò)程，成功再現(xiàn)了焊接不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布，并通過(guò)溫度場(chǎng)計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)，通過(guò)分析計(jì)算得到了樣板的焊后殘余應(yīng)力。

4.2分析不同的電壓和電流對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，以及不同的焊接速度對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，焊接電流較大時(shí)，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力較大，近焊縫處的縱向殘余拉應(yīng)力也相應(yīng)較大。焊接速度越小，焊縫處的縱向殘余壓應(yīng)力越大，近焊縫處的殘余拉應(yīng)力越大。

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