基于ANSYS的鋼板拼接焊接收縮量的數值模擬

陳志明++伍斯杰++郭雷

摘要：船體制造過程中焊接收縮量的獲取多通過經驗總結。本文利用ANSYS軟件對開“Y”形坡口拼接的兩塊鋼板進行模擬，通過移動高斯熱源模型模擬手工電弧焊焊接過程中熱量的輸入、通過單元生死技術模擬焊接熱源填充和輸入過程，并輸入材料焓值處理焊接過程的相變潛熱，得到焊接過程中不同時刻的溫度場。最后，采用間接法順序耦合分析解決焊接過程中熱-應力耦合問題，實現了對兩塊拼板焊接后收縮量的求解，獲得兩塊矩形鋼板焊接拼接總體最大收縮尺寸，結果表明模擬結果與實際基本相符。

關鍵詞：有限元；手工電弧焊；高斯熱源模型；單元生死技術；收縮量

中圖分類號：U663.2 文獻標志碼：A

Welding Shrinkage Simulation of Jointed Plate with ANSYS

CHEN Zhiming1，WU Sijie2， GUO Lei3

（1.Guangdong Ocean University， Zhanjian 524088； 2. Sunbird Yacht Co.， Ltd.， Zhuhai 519055）

Abstract： In this paper， welding shrinkage of jointed plate with "Y" - shaped groove is analyzed with the software ANSYS. In the welding simulation， Gauss heat source model and Element birth and death technology is adopted to simulate process of manual arc welding， the enthalpy value of material is input to deal with the latent heat of phase change and to obtain the temperature fields of jointed plate at different times of welding process. At last， welding shrinkage is acquired after the temperature field is switched to the structure field.

Key words： Finite Element Method； Manual Arc Welding； Gauss heat source model； Element birth and death technology； Shrinkage

1 引言

焊接技術廣泛應用于部件拼接、分段裝配、分段總組、船臺搭載等各個船舶建造過程。但焊接過程中，焊縫及附近區域在熔化和冷卻過程中，焊縫及附近與周圍區域受不均勻的溫度影響，焊縫區呈現出殘余應力，使焊接后的部件、分段等存在一定的焊接變形，造成分段需現場修整的情況時有發生。長期以來，在分段精度控制過程中對于焊接收縮值主要是通過經驗總結獲得。因此，從理論上實現焊接收縮量的預測，對于提前評估和控制船體變形、提高分段精度控制水平、實現無余量造船具有一定的現實意義。

2 焊接的有限元方法

焊接的有限元方法同其他熱力學問題一樣，從傅里葉定律和能量守恒定律出發，材料內部的任何微元體均需滿足熱擴散方程[1]：

（1）

式中：T（x，y，z，t）為物體的瞬態溫度場；kx、ky、kz為三個方向的導熱系數；qv為內熱源強度；ρ和c為材料密度和定壓比熱。

溫度場熱擴散方程描述了物體內部熱量擴散和傳導的過程，結合邊界條件和初始條件，熱擴散方程將變成可解方程。

3 移動熱源模型及關鍵技術

3.1 移動高斯熱源模型

熱源模型是焊接數值模擬的重要部分，通常采用移動高斯熱源模型對手工電弧焊或鎢極氬弧焊等焊接過程熱量的輸入可進行良好的模擬。與點狀熱源模型相比，移動高斯熱源可更真實的模擬實際的熱源分布[2-4]。通常，高斯熱源以熱流密度形式施加到焊縫表面上，其熱量分布函數如下：

（2）

式中：U為焊接電壓；I為焊接電流；R為電弧有效加熱半徑；η為焊接熱效率；r為任意一點至電弧加熱斑點正中心的距離。

高斯熱源模型的能量分布形式在空間上加熱呈現出正態分布（如圖1所示），所以高斯熱源模型又稱為正態分布模型。

3.2 相變潛熱的處理

眾所周知，焊接過程中焊材是一個從固態轉為液態再轉為固態的相變過程，因此也將產生相變潛熱。作為不可忽略的因素，ANSYS通過輸入不同溫度下材料的焓值來處理相變潛熱問題，即采用熱焓法。熱焓H通常可用材料密度乘以比熱容后對時間進行積分來描述：

（3）

3.3 單元生死技術

焊接過程中熱源輸入和焊縫填充通常采用生死單元技術進行動態的模擬[5]。所謂單元生死技術是指：計算前將所有的焊縫單元“殺死”（用一個很小的因子乘以其剛度、傳導或其他特性的矩陣，使這些特性無法參與計算），但所有的焊縫單元仍然存在于有限元模型中。計算過程中，按順序將被“殺死”的單元進行逐個“激活”，如同焊縫動態的“生長”過程。

3.4 焊接中熱-應力耦合的方法

利用ANSYS進行熱分析通常有直接法和間接法兩種：直接法選用具有溫度和位移自由度的耦合單元，可同時得到熱分析和結構應力分析的結果；而間接法則是先在ANSYS中進行熱分析，再將節點溫度以體載荷形式施加在應力分析中。

由于焊接主要是溫度場影響結構場，而結構場對溫度場的影響則可以忽略，所以焊接過程的物理場為順序耦合場，可以采用間接法順序耦合分析解決焊接過程中熱-應力耦合問題。endprint

4 拼板收縮量有限元計算實例

4.1 實例主要參數

圖2所示為兩塊鋼板拼接的Y形坡口尺寸，兩塊鋼板拼接的整體尺寸為150mm×150mm×6mm，母材材質為Q235鋼，使用手工電弧焊進行焊接，選用直徑為φ3.2mm的E4315/J427焊條，焊接速度約為5mm/s，電弧電壓選擇范圍為20～24V，焊接電流選擇范圍為100～120A，兩道焊進行焊接。

4.2 有限元模型

由于采用間接法順序耦合進行分析，先進行熱力學的計算。選用三維熱實體單元SOLID70進行熱力分析，得到溫度場后將其轉換為相對應的三維8節點固體結構單元SOLID185進行結構應力分析。在ANSYS中先建立150mm×6mm的焊接斷面，然后對該面進行拖拽形成體，隨后控制網格尺寸，并通過掃略實現對母材及焊縫有限元網格的劃分（如圖3所示）。其中，為盡量減少計算量并保證計算精度，對模型分為三塊建立幾何模型和網格劃分：遠離焊縫區、焊接影響區和焊縫區。其中焊接影響區的寬度尺寸設置為20mm，各區的網格劃分尺寸分別為3mm、1.5mm、0.25mm。在該有限元模型中，單元數目為23040個，節點數目為27755個。

4.3 ANSYS中焊接熱源加載技術

ANSYS軟件通過編寫式（2）的場函數實現高斯熱源模型的加載，通過ANSYS參數化設計語言APDL編寫命令流實現焊接模擬的自動化：利用*DO和*ENDDO命令組成的循環語句實現熱源的移動、單元的“生死”成長過程，以及在相應的單元上加載熱流載荷；運用TIME命令，通過指定瞬態熱分析中載荷步停止的時間，控制著整個焊接移動加載和單元“生長”速度，實現焊接熱源準確加載[8-10]。

5 有限元計算結果及分析

5.1 焊接溫度場計算結果及分析

在溫度場的計算過程中，模擬了兩道焊的施工過程，即焊完第一層焊縫后再焊第二層。在ANSYS模擬中，將室溫設置為25℃模擬焊接冷卻過程中空氣的對流，其中第一道焊到第二道焊的間隔時間為30s。圖4為動態顯示兩道焊在焊接過程中不同時刻溫度場的溫度云圖。

從圖4可以看到，在焊縫過程的不同時刻，焊接熱源移動到相應的位置時焊縫中心溫度急劇地上升，該處溫度可從室溫25℃左右迅速上升到1000度以上，最高溫度可達到2000℃以上；隨著焊接熱過程的繼續，熱源開始向前移開，原來的焊縫中心則快速冷卻，溫度也快速的下降。

5.2 熱-應力耦合

在得到不同時刻的溫度場后，在ANSYS中將熱分析轉入結構分析，通過單元轉換、重新設置材料參數、定義邊界條件、將節點溫度以體載荷的形式施加在應力分析后，實現熱-應力的耦合[11，12]。在后處理中，讀取鋼板在焊縫完全冷卻至室溫后結構在X方向的應變云圖，為圖5所示。從圖5可以看出，焊縫完全冷卻后的兩塊拼板的變形基本沿焊縫成對稱狀態，焊接 X方向變形單邊的最大數值約為0.49mm。

6 結論與展望

（1）使用ANSYS軟件對鋼板拼接進行了有效的數值模擬，其中使用移動高斯熱源模型和單元生死技術模擬，清晰直觀地模擬了焊接熱源填充和輸入過程；

（2）從所得焊接過程不同時刻的溫度場信息中，可以準確得到焊接過程不同位置的溫度信息，對以后焊接過程的控制、工藝參數的選定等具有一定的借鑒作用；

（3）焊接X方向變形單邊的最大數值約為0.49mm，總體最大收縮尺寸為0.98mm。這與對接焊縫橫向收縮經驗公式所得結果基本相同：

（4）

（4）有限元方法不僅可以提供橫向X方向上的應變信息，還可提供縱向Y方向上的信息，并通過計算可得到相應的角變形數值；

（5）通過兩塊板拼接焊接收縮量的模擬，將來擴展到整個部件、分段的焊接收縮量的預測，有助于對于提前評估船體變形情況，提高建造過程中分段精度控制水平。

參考文獻

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