基于有限元軟件的薄板焊接接頭應力變形模擬

陳銀銀

（河南工業貿易職業學院，河南 鄭州450000）

1 焊接溫度場的分析理論

在焊接過程中，焊接熱輸入和熱傳導對冶金過程、固態相變、組織性能和應力應變等都有重要的影響。焊接是一個局部快速加熱，然后部分熔化或者產生相變，并迅速冷卻的過程。隨著焊接熱源的移動，焊接部位溫度場急速變化，材料的熱學性能也急劇變化。因此，焊接溫度場分析屬于典型的非瞬態熱傳導問題。

2 熱源模型

在進行焊接溫度場的數值計算時，研究人員通常把焊接熱源簡化為具有某種分布規律的熱流密度函數，用于計算不同焊接過程的溫度場。在現有數值模擬過程中通常采用的熱源模型有三種：高斯熱源、雙橢圓高斯熱源、雙橢球熱源，在Marc 中采用的是Goldak 提出的雙橢球熱源模型，此模型中熱流密度沿長軸呈高斯分布前半部分是1/4 橢球，后半部分是3/4 橢球。

3 焊接應力場理論

材料處于彈性或者塑性狀態的應力應變為:

式中：f 為屈服函數;

f0為與溫度和塑性應變有關的屈服應力的函數。

4 求解流程

基于有限元軟件MSC.MARC 的溫度場和應力場分析流程圖如圖1 所示。

5 薄板焊接的有限元模型建立

薄板焊接過程模擬計算所采用的焊板尺寸為1200mm*200mm*6mm,焊板由兩塊600mm*200mm*6mm 鋼板焊接而成，為保證焊透，在鋼板焊接邊上加工600 坡口。

5.1 建立有限元網格模型

5.1.1 生成幾何平面，全過程如下:

依次輸入特殊點的坐標，則點將自動連成線，最后構成了對接接頭的焊接模型面。面分為三個部分：兩塊母材區和焊縫區，如圖2 所示。

圖1 有限元法分析焊接溫度場和應力場流程

圖2 幾何平面

5.1.2 生成二維平面單元，具體過程如下：

5.1.2.1 設置種子點。需注意的是設置種子點時應使焊縫附近區域的點分布相對密集，離焊縫遠的區域分布相對稀疏。因為無論是溫度場還是應力場的分析計算對象都主要是焊縫及其附近區域。

5.1.2.2 劃分網格。有限元軟件MSC.MARC 可以全自動地在平面或者曲面上生成四邊形或三角形網格。本文中模型采用三角形網格。根據下面步驟依次對平面的三個部分分別劃分。

5.1.2.3 定義母材和焊縫。每劃分完一部分網格，對其定義以方便后面進行材料特性、幾何特性等參數的設置。

5.1.2.4 檢查網格質量。二維單元劃分好之后必須檢查網格質量，因為網格質量不好可能導致最后無法進行分析。

5.1.3 由二維單元擴展成三維實體單元。平面二維單元生成后則擴展三維實體單元。此模型的擴展是沿Z 方向，擴展數為30 個單元，每個單元長度為2mm。

有限元網格模型建立完成。模型如圖3 所示。

圖3 網格模型

定義母材和焊縫后模型圖如圖4 所示。

圖4 定義母材和焊縫

5.2 定義幾何特性

幾何特性不需要將模型的三個部分分開定義。需要注意的是由于模型不僅要進行溫度場分析而且要進行應力場分析，所以將所有單元定義為MECHANICAL ELEMENTS 而不是HEAT THRANSFER ELEMENTS。（圖5）

圖5 幾何特性定義

5.3 定義材料特性

有限元軟件MSC.MAR 中的材料數據庫中的材料種類很多。本模型中鋼板材料選用100Cr6，焊縫填充選用鋼41Cr4。定義完成后的材料特性如圖6 所示。

圖6 材料特性定義

5.4 定義接觸體

定義步驟和圖7 如下：

圖7 接觸體定義

5.5 定義初始條件

由于模型要作瞬態傳熱分析，所以需定義初始溫度場。如果不定義初始溫度，分析計算時程序自動采用零溫度處理。本文中模型初始溫度定義為300C，初始給定溫度應施加在所有單元節點上。（圖8）

圖8 初始條件的定義

6 結論

通過采用有限元軟件，建立對接接頭焊接模型，模擬焊接過程中瞬時溫度的變化，對分析焊接過程中，焊接熔合區和焊接熱影響區應力應變提供便利，也為薄板焊接過程中控制焊接變形提供理論依據。