基于ANSYS的輸電桿塔塔腳主筋板焊接過程的溫度場仿真

2018-05-16 10:08:51陳華王朋鞏耀武

機械工程師 2018年4期

陳華，王朋，鞏耀武

（武漢鐵塔廠鋼結構研究所，武漢 430011）

0 引言

電網建設服務各個行業的生產和建設，是推動我國經濟發展的關鍵，作為電網建設基礎設備的輸電桿塔塔腳，其加工的質量和性能對電網建設有著舉足輕重的影響。一般來說，塔腳是采用筋板拼焊的方式制造，塔腳焊接過程中的熱傳導和溫度場分布直接影響工件的殘余變形和殘余應力，而工藝改進和優化是控制殘余變形和殘余應力的有效途徑，因此焊接過程中傳熱及溫度場分布研究對焊接工藝的改進和優化具有重要的理論和實際意義。數值模擬是焊接過程傳熱和溫度場分析的重要工具，近年來運用有限元數值分析方法進行焊接過程仿真分析的研究越來越多，而焊接溫度場的計算仿真是焊接殘余應力與變形的計算以及焊接質量控制的前提。在焊接過程中，材料的熱物性參數是溫度的函數，同時持續移動熱源使焊件的溫度隨時間急劇變化而形成溫度梯度很大的非均勻溫度場，因此在焊接過程的傳熱以及溫度場模擬是一種非線性的瞬態傳熱問題，建立精準的物理模型包括熱源函數、邊界條件等是解決問題的關鍵。目前國內外對平板焊縫對接和管道焊縫對接的模擬分析較多，但至今對輸電桿塔塔腳焊縫多層焊接溫度場分析的相關研究較少。本文運用ANSYS對輸電桿塔塔腳焊接過程傳熱和溫度場分布進行了有限元分析，分析結果可以作為實際生產的指導和后續熱應力分析以及焊接工藝優化的基礎。

1 塔腳有限元建模

1.1 塔腳有限元模型的建立

塔腳的幾何模型在ANSYS中建模較為復雜，本文采用SolidWorks建立塔腳三維模型后，通過IGES中間文件的方式導入ANSYS中，塔腳三維實體如圖1所示。對塔腳網格劃分控制如下：焊縫豎直方向的單元長度控制為1 mm，截面使用單元段數控制，采用六面體映射網格劃分，其余網格采用六面體自由網格劃分，采用SOLID70熱分析單元作為劃分網格的單元，最終的有限元模型如圖2所示。

圖1 塔腳三維實體模型

本文采用ANSYS生死單元技術模擬焊接過中材料的添加。ANSYS有限元分析技術用作模擬焊接過程時有種“生死單元”技術，即能夠模擬材料添加增長的過程，而“生死單元技術”并不是簡單地移除單元后再添加，而是用一個很小的因子（數值1.0E-50，ANSYS里命令ESTIF）乘以單元的剛度矩陣，使得單元的物性參數無限接近于0，使焊接過程中的載荷在“死”單元上“無效”。模擬過程中再按照既定的路徑逐步激活已“殺死”的單元，從而達到模擬焊接過程的熱加載效果。

圖2 塔腳有限元模型

1.2 材料及工藝參數

母材材質為Q345C，焊絲用ER50-6，焊絲直徑φ1.2 mm，其導熱率和比熱容見圖3所示，其中考慮到熔融金屬的對流作用，即在溫度大于熔點之后，通過提高導熱率的方法來考慮熔池對流作用帶來的傳熱加速。焊接方法采用GMAW，保護氣體100%CO2，初始溫度和環境溫度均為28℃，焊接電壓28 V，焊接電流250 A，焊接速度4 mm/s。

圖3 材料的導熱率和比熱

1.3 數值模型

傳熱分析中的熱傳導控制微分方程如式（1）所示，本文所要求解的踏腳焊接過程的溫度場分析，即是要通過ANSYS的有限元方法求解此瞬態微分方程。

式中：ρ為密度；c為比熱；T為溫度；k為材料的熱傳導系數；q為熱源。

邊界條件主要是熱對流和熱輻射，本文采用的是熱對流和熱輻射混合邊界條件，其表達式為

式中：k為熱傳導系數；n為法向單位矢量；ε為熱輻射率；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數（σ=5.67 W/（m2·K4））；Tamb為環境溫度；hconv為對流換熱系數。

焊接熱源特點是局部熱量集中、升溫快，使得焊接過程中焊點及近焊點處溫度隨時間變化劇烈，焊接完成后焊件中存在較大的殘余應力和變形。因此，在利用有限元分析軟件進行仿真時建立準確的熱源模型，很大程度上決定了計算結果的準確度。然而過于復雜的熱源模型同時會加大有限元分析的計算量，效率降低，選取合適的熱源模型顯得非常重要。在廣泛的熱源模型研究中，主要存在以下幾種焊接熱源模型：即集中式熱源模型、平面熱源模型、體熱源模型、組合熱源模型。合適地選取熱源模型首先能夠較好地反映焊接過程中的溫度場分布，其次便是要保證計算精度和合理控制計算速度。這就要求了熱源模型的選用既不能太復雜以致計算效率低下，也不能選過于簡化的模型而影響數值模擬的準確性，需要綜合考慮實際實驗中的焊接方式、焊接工藝參數等因素。本文熔積成形實驗中運用GMAW焊機作用焊接熱源，所以選用體熱源模型中的雙橢球熱源模型可以更好的反映實驗中的熱量輸入，較為準確地反映焊接中的溫度場變化。雙橢球熱源模型表達式為：

式中：ff與fr分別為熱流密度的分布函數，其中ff+fr=2；η為焊接熱效率；U為輸入電壓；I為輸入電流；af、ar、b、c為橢圓熱源模型的形狀參數。

模擬過程中，建立基于局部坐標系的熱源模型，并通過移動局部坐標系的方式模擬焊槍的移動。

2 計算結果及分析

2.1 焊接溫度場的分布

塔腳主筋板有4條焊縫，每條焊縫焊接分3層:打底層、填充層、蓋面層，焊接順序如圖4所示。圖5為焊接過程中塔腳第30 s、58 s、89 s和135 s的溫度場分布圖，此4個時刻分別分布在上述4條焊道的焊接過程中。由圖可知，焊接過程中熱源位置溫度最高，距離熱源越近等溫線越密集，溫度梯度越大，圖5（a）是第1條焊縫的蓋面層焊接過程的溫度場分布，由于熱量的累積效應，峰值溫度較高，圖5（b）和圖5（c）分別為第2條和第3條焊縫的填充層焊接過程，因此峰值溫度相對較低，而圖5（d）為第4條焊縫的蓋面層焊接過程，因此峰值溫度最高?？傮w來看，由于塔腳表面積較大，散熱較快，因此其底板整體溫度較低，隨著時間的推移溫度場分布有所變化，底板的高溫范圍逐步擴大，但是溫度場分布形狀變化較小，但范圍在不斷擴大，溫度持續地向遠離熱源點的焊件擴散。

為了更加清晰地分析焊接過程中溫度的變化，取圖6所示的主筋板中心從底板上表面到頂部的一條路徑path 1，分別提取第30 s、58 s、89 s和135 s時刻path 1上的溫度分布以及溫度梯度合值的分布并進行分析。

圖7為path 1上不同時刻的溫度分布，總體來看，由于熱累積效應，無論是起點還是終點，后面時刻的溫度要高于前面。后面3個時刻的峰值溫度溫度高于30 s時刻，58 s和89 s由于是焊接中間的填充層，而135 s時刻是蓋面層的焊接，因此58 s和89 s溫度峰值要高于30 s和135 s時刻。圖8為path 1上的不同時刻的溫度梯度合值的分布，4條曲線的峰值位置代表熱源的位置，溫度梯度分峰值是先增大，后減小，這是由于開始整個工件溫度都較低，且熔池熱量來不及擴算，造成局部熱量累積驗證，因此溫度梯度增大，而隨著焊接的持續進行，熱量在整個工件上擴散，雖然熔池溫度峰值提高，但是溫度分布相對更加均勻，因此溫度梯度及峰值反而減小。因此，從此角度來說，焊接層與層之間合理的等待冷卻時間，有利于熱量的均勻擴散和減小工件的溫度梯度，從而有利于減小工件的殘余應力和變形。

2.2 不同焊接部位節點溫度隨時間的變化規律

選取4條焊縫不同位置的4個節點：分別為節點889、節點2638、節點6416、節點7376作為研究溫度分析的參考點，參考點溫度隨時間的變化曲線如圖9所示。由曲線圖可知，以n2638曲線為例，此節點是第1條焊縫的打底層上的點，前一段與時間軸平行的線段表示在此之間還未焊接到本節點，溫度顯示一直是初始值，隨后熱源到達此節點，溫度急劇上升并迅速到達金屬的熔點，隨著熱源的移動，溫度逐漸降低，而后在焊接本條焊縫填充層或者是蓋面層時，在接近此節點時溫度又急劇上升至熔點，這是由于上面層焊接時，打底層局部被重熔。隨著熱源持續移動，溫度慢慢降低，后面溫度上升下降交替變化代表著后面焊接第2、3、4焊縫接近此節點，然后逐漸遠離的過程。