大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形熱彈塑性有限元分析

紀浩然

（SEW-工業(yè)減速機（天津）有限公司，中國 天津 300457）

在科學(xué)技術(shù)與信息技術(shù)飛速發(fā)展的時代背景下，對機械設(shè)計尤其是工業(yè)設(shè)計提出了嚴格要求。在信息技術(shù)高速發(fā)展的時代背景下，有限元軟件逐漸被應(yīng)用到機械制造領(lǐng)域中。根據(jù)鋼架梁理論以及基礎(chǔ)設(shè)計原理，對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)采用組合焊道，建立三維有限元模型，由于多方面因素的限制還需要對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形熱彈塑性的技術(shù)方案進行不斷優(yōu)化。文章從幾個角度就大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形熱彈塑性有限元進行深入分析，預(yù)測結(jié)構(gòu)的焊接變形，為業(yè)內(nèi)平臺的設(shè)計與改造提供數(shù)據(jù)支持。

1 大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形問題分析

隨著焊接工藝與科學(xué)技術(shù)的不斷提高，對金屬產(chǎn)品的需求量與日俱增，這幾年，制造企業(yè)得到快速發(fā)展，使得機械產(chǎn)品市場變得更加復(fù)雜、多變，市場競爭越來越激烈。隨著技術(shù)的進步和質(zhì)量管理水平的不斷提高，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接的可靠性也得到提高，但是在應(yīng)用過程中還存在諸多問題，市場競爭惡劣，安全事故頻頻發(fā)生，企業(yè)管理不科學(xué)、不規(guī)范，經(jīng)濟效益與社會效益都不理想。焊接具有造價昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及設(shè)計難度大等特點。

焊接是一個涉及多方面專業(yè)知識與學(xué)科的過程，包括力學(xué)、物理學(xué)以及傳導(dǎo)等，在焊接過程中，由于受到熱脹冷縮原理的影響，金屬不能自由伸展，導(dǎo)致工件在制造中很容易出現(xiàn)焊接變形的問題。而機械設(shè)計作為一門傳統(tǒng)學(xué)科，相比傳統(tǒng)機械設(shè)計方法與設(shè)計產(chǎn)品，現(xiàn)代大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計更注重主動的、計算機化的設(shè)計產(chǎn)品。傳統(tǒng)機械設(shè)計由于多方面原因經(jīng)常導(dǎo)致工件失效，也就是說所設(shè)計出的產(chǎn)品并不符合相應(yīng)標準與要求，甚至失去使用功能，經(jīng)常出現(xiàn)各種故障，降低產(chǎn)品的使用壽命。由于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)在焊接過程中承受載荷多樣、運行條件極其惡劣以及工況組織復(fù)雜等特點，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形熱彈塑性的有限元分析成為了當前相關(guān)學(xué)者研究的重要內(nèi)容，探究科學(xué)的焊接設(shè)計方法就是為了研究其失效的原因，確定失效的機理和模式，從而采取針對性措施或者預(yù)防措施進行技術(shù)生產(chǎn)與管理活動，避免發(fā)生同類事故[1]。

在焊接過程中，由于焊接變形問題不僅影響著結(jié)構(gòu)尺寸，還降低了結(jié)構(gòu)的承載能力，尤其是大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接，因此控制焊接變形問題是當前需要解決的重要問題[2]。

2 試驗方法

（1） 結(jié)構(gòu)模型。大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)是由平臺和部分圓筒組合而成的，圓筒外部有梯形肋骨。為了防止圓筒焊接變形過大，必須做好模型項目設(shè)計工作。項目設(shè)計前期是整個大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接設(shè)計的基礎(chǔ)與前提，只有做好項目設(shè)計前期工作，才可以為后其工件總體強度評估與方案改進環(huán)節(jié)奠定良好基礎(chǔ)，對于項目設(shè)計前期工作來說，必須做好市場調(diào)研和實地考察，進行可行性研究與市場因素分析，從而制定科學(xué)的計劃方案。在圓筒內(nèi)部增加槽鋼支撐，焊接完成之后再拆除支架，通過對功能總體分析、功能組合要素進行分析以及系統(tǒng)運行原理進行分析，再對這些要素進行綜合分析之后，在確定最佳設(shè)計方案[3]。

圖1 焊接結(jié)構(gòu)以及坡口

（2）材料參數(shù) 。考慮到外界環(huán)境、風和溫度等各種因素影響著大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接過程的正常運行，尤其內(nèi)在載荷對是所有環(huán)境因素對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)影響最大的。平臺和部分圓筒以及肋骨分別采用不同型號和強度的高強度耐壓鋼，綜合分析與檢測這些材料的密度、傳導(dǎo)系數(shù)以及膨脹系數(shù)等等，材料特性參數(shù)很容易受到溫度的影響，所以需要對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接各個環(huán)節(jié)所 運用的結(jié)構(gòu)部署、實驗數(shù)據(jù)模型以及選型設(shè)計等進行分析，考慮焊接過程高溫瞬態(tài)特性，為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

（3）焊接工藝。現(xiàn)代大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接理論是在機械設(shè)計理論科學(xué)的基礎(chǔ)之上形成的，也就是說現(xiàn)代大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接機械設(shè)計理論在借鑒與繼承傳統(tǒng)機械設(shè)計方法與學(xué)科基礎(chǔ)之上的一種再創(chuàng)造。傳統(tǒng)機械設(shè)計傾向于靜態(tài)的、手工的、被動的設(shè)計產(chǎn)品，不僅需要消耗的大量的人力與物力，工作效率極低，還加大了生產(chǎn)與設(shè)計成本。

當前，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接過程采用多道焊接，先是焊接表面，然后根據(jù)焊接工藝參數(shù)進行內(nèi)部焊接，整個大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接過程需要30道左右，尤其是特別大的結(jié)構(gòu)模型，其單元和節(jié)點十分多，這就需要實時跟蹤和掌握整個焊接以及冷卻過程。

圖2 焊接工藝參數(shù)

（4）有限元模型和熱彈塑性有限元計算。有限元模型設(shè)計理論是涵蓋了更多的信息技術(shù)與其他科學(xué)技術(shù)，優(yōu)化、信息以及藝術(shù)等多方面內(nèi)容，尤其對于基礎(chǔ)設(shè)計具有一定優(yōu)勢。比如離散論方法中的有限元方法和邊界方法，通過這些現(xiàn)代新型的設(shè)計方法，能夠設(shè)計出更符合人們需求的產(chǎn)品。由于結(jié)構(gòu)和載荷的要要求，選擇大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接的一半建立模型，由于起結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不可以將結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分的太細，采用非線性網(wǎng)格劃分方式。在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接熱影響區(qū)域，隨著溫度的不斷升高，應(yīng)力變化也越來越快，所以采用相對細密的網(wǎng)格劃分方式比較合理。結(jié)構(gòu)模型建設(shè)初期采用簡化的模型進行總體強度分析，不僅要考慮焊接的技術(shù)可靠性與科學(xué)行，還需要兼顧設(shè)計周期、效率以及安全等方面問題。原理焊縫的區(qū)域，防止對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形帶來影響，為了減少計算量，提高計算的精準度。根據(jù)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型與坡口行政，選用二節(jié)點桿單元，建立帶厚度的梯形肋骨部分。

從重量報告中的相關(guān)數(shù)據(jù)分析，環(huán)境荷載主要包括溫度和內(nèi)應(yīng)力所產(chǎn)生的水動力荷載與慣性力，根據(jù)豐富特征荷載最大值所處溫度向確定熱彈塑性的大小。對于熱彈塑性有限元技術(shù)時必須綜合考慮永久荷載和環(huán)境荷載兩個要素，根據(jù)特征荷載所相應(yīng)算子峰值，確定波周期和相位等特征要素。采用間接耦合方法，先計算焊接溫度場，保證每一步計算結(jié)果的準確性與可靠性，同時將溫度分析單元分別轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元，就作用于熱彈塑性上的各種載荷因素進行綜合分析與計算，包括自身重量、設(shè)備以及壓載艙打壓載重量等等，最后計算槽鋼支架拆除之后的結(jié)構(gòu)反彈，得到結(jié)構(gòu)的最終熱彈塑性焊接變形。

圖3 有限元模型

3 結(jié)束語

綜上所述，文章對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接變形熱彈塑性有限元分析進行探究，通過熱彈塑性有限元分析不斷優(yōu)化焊接工藝，節(jié)省設(shè)計和生產(chǎn)成本，并對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接方案改進提供數(shù)據(jù)支持，希望對相關(guān)人員提供幫助與借鑒。