1、收稿日期:2002206203.作者簡介:羅金華(19622 , 男, 博士研究生; 武漢, 華中科技大學材料科學與工程學院(430074 . 現工作單位:武昌造船廠(430070 .基金項目:國防科技預研基金資助項目.基于ANS YS 的中厚板焊接有限元三維數值模擬羅金華王曉熙胡倫驥(華中科技大學材料科學與工程學院摘要:基于大型有限元分析軟件ANSYS , 對中厚板焊接的溫度場和應力應變場進行三維數值動態模擬, 并將計算量控制在可接受的范圍內. 建模時采用兩種單元結合以獲得焊縫處細密、, 熱載荷施加過程中采用余量控制法, . 卻過程中角變形沿縱向并不總是線性分布的.關鍵詞:焊接; 有限元分析

2、; 數值模擬; ANSYS ; 中圖分類號:TG 44文獻標識碼:A 204, (, 考, 對中厚板焊接的溫度場和應力應變場進行三維數值動態模擬, 并控制計算量在可接受的范圍內, 以期能將研究成果運用到更為復雜構件焊接過程的數值模擬中.1建模研究10. 7mm 200mm 200mm 的D32鋼板. 焊接試驗采用SH5073. 2mm 焊條沿正面中心線進行焊接. 焊接參數為:焊接電流I =120A , 焊接電壓U =2526V , 焊接速度V =3mm/s. 試板正面經加工刨平, 反面沿焊縫線鉆一個4. 5mm 不同深度的平底孔并焊上鉑2銠熱電偶用以測量溫度. 焊前、焊后通過測量事先布置好的測

3、量桿頂部的跨距變化來測定焊接產生的角變形.焊接過程是個局部快速加熱到高溫并隨后冷卻的過程, 隨著熱源的移動, 整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化, 材料熱物理性能也隨溫度劇烈變化, 同時還存在熔化和相變時的潛熱現象1. 由于高度非線性及計算量等因素, 因此在對平板堆焊的溫度場和應力應變場分析中作以下假設:a . 不考慮工件與實驗臺之間的熱傳導, 假設工件的所有外邊界僅與空氣發生對流換熱, 將輻射換熱的影響折算到對流換熱中, 而不單獨考慮; b . 忽略熔池內部的化學反應和攪拌、對流等現象; c . 忽略焊條與母材材料的不一致性, 采用隨溫度變化的熱物性參數; d . 工件的初始溫度為室溫(20

4、; e . 焊接以恒定速度V 進行, 電弧的能量密度服從高斯分布.有限元模型是真實系統的數值模型. 確定單元類型、材料特性、幾何模型以及網格劃分都是溫度場分析和應力應變場分析中的關鍵環節. 本研究采用文獻2中的材料熱物理性能參數, 分析中應用間接耦合場法, 下面只討論建模中單元類型和網格劃分方案的確定. 1. 1定義單元類型焊接過程是個熱力耦合的過程, 在熱彈塑性分析的過程中, 既需要計算溫度場, 又需要計算應力應變場, 選擇的單元必須是自由度為溫度的熱單元, 具有熱傳導、對流能力(有的單元僅有輻射、對流功能 , 而且必須能夠進行熱力耦合分析. 在本課題中, 研究的是中厚板焊接過程的應力應變場

5、, 必須考察板內厚度方向的溫度和應力應變分布, 因此采用三維單元. 此外, 考察的是整個焊接過程的溫度場和應力應變場的發展過程, 因此采用能夠進行瞬態非線性分析的單元類型.在此研究的是平板堆焊, 由以上幾條原則, 最終可把選用單元的范圍縮小為ANSYS 單元類型庫中的8節點三維熱實體單元solid70和20節點的三維熱實體單元solid903. 為了保證焊接熔池第30卷第11期華中科技大學學報(自然科學版 Vol. 30No. 112002年11月J. Huazhong Univ. of Sci. &Tech. (Nature Science Edition Nov. 2002處的計算精度并控

6、制適當的計算工作量, 模型的不同區域采用不同的單元, 在焊縫和遠離焊縫的區域用solid70, 中間部分用solid90單元過渡. 整個模型單元數為6355, 節點數為8104, 不會出現網格過渡錯誤, 計算量也可以接受.另一項節省計算時間的措施是轉變退化四面體單元. 用solid90的目的是為了生成過渡的金字塔單元, 在生成過渡的金字塔后, 可將模型中的20節點退化四面體單元solid90轉化為相應的10節點非退化單元solid87, 這可使每個單元所需的隨機存儲單元(RAM 更少4. 1. 2網格劃分方案自由網格對于單元形狀無限制, 但排列不規則. 而映射網格對包含的單元形狀有限制, 須滿

7、足特定的規則. 角形單元, 且, , 是排的單元5, 的, .出于提高計算效率的考慮, 在遠離焊縫處應采用較焊縫處粗略的網格. 若全部采用六面體網格, 則由于六面體網格的局限性, 焊縫處網格的細化只能發生在平板的寬度和厚度方向, 而長度方向(焊接方向 不能細化. 故需考慮在焊縫和遠離焊縫的區域分別用不同大小的六面體網格劃分, 中間部分用四面體自由網格過渡. 但有限元方法要求單元網格相似, 在同一網格中混用六面體和四面體的單元會導致不協調, 所以把工件分為三個體, 即焊縫區、遠離焊縫的區域和中間體. 兩邊分別用六面體映射網格劃分, 中間體用自由四面體網格來過渡. 在四面體網格和六面體網格之間還會

8、生成金字塔單元的過渡. 另外, 出于熱載荷移動的要求, 針對采用的參數輸入方法, 自動控制網格大小等于或盡量接近焊縫總長的整數分之一, 在一定程度上解決了模擬焊接熱源移動中加載不均的問題.2溫度場分析為了保證施焊過程中焊縫嚴格處于試板中心, 在試板中心線處開有1mm 深的淺槽作為施焊標識. 處理潛熱問題的方法是定義了不同溫度下的熱焓, 當某一節點溫度跨過熔點或相變點時, 會有一定的焓變, 通過定義這個焓變值就可以考慮熔化潛熱 .2. 1熱源模型考慮到工件的中心線處開了一條深1mm 的淺坡口作為施焊標識, 采用圖1所示的熱源模型. 圖中, 標注為1,2,3,4的區域的熱流密度按照表面高斯熱源的公

9、式分別算出.圖1表面圓形熱源與厚度方向熱源相結合示意圖2. 2熱源的加載移動載荷的實現需要在求解的時候確定每時刻的載荷的位置和大小, 載荷移動到下一個載荷步的時候, 上一個載荷步的載荷被去掉, 本研究用對流邊界條件把上一個載荷步中施加的熱流密度覆蓋. 對于熱源一直在移動的焊接過程模擬, 熱載荷的施加需要用APDL 編程來實現, 即用循環語句來把每一個載荷步的求解文件寫入, 最后求解的時候再依次讀出每個載荷步求解文件. 熱載荷所施加的平面的最小單元實際上是由節點組成的六面體單元的面. 實際操作中, 在初始點減去一個余量, 在終點加上一個余量, 能夠保證起點和終點之間的節點被相對精確地選定. 這個

10、余量的選擇, 取決于載荷步的步數和焊縫處網格的大小. 此措施稱為余量控制法, 采用余量控制法可以保證根據坐標來選擇節點的精確性.根據焊接熱循環的特征, 加熱階段和冷卻初期的溫度變化劇烈, 而冷卻到低溫時溫度變化緩慢, 因此采用變步長處理. 具體步驟為:a . 以定步長或粗略的變步長計算溫度場; b . 根據溫度場的結果來判斷溫度梯度最大(即溫度變化最快 的時刻、地點; c . 在溫度梯度最大的時刻采用變步長; d . 以變步長計算溫度場; e . 根據溫度場的結果繼續優化; f . 用確定的變步長繼續進行結構分析; g . 檢查結果, 若還是有發散問題 , 則適當增加該時間段的子步數.3應力應

11、變場分析焊接過程的計算機模擬中, 應力應變場的分48華中科技大學學報(自然科學版 第30卷析是基于溫度場分析的, 即通過把第一次場分析的結果作為第二次場分析的載荷來實現兩種場的耦合, 進行熱分析之后, 再重新進入前處理, 將熱單元轉換為相應的結構單元.在焊接過程應力應變場的有限元模擬中, 由于焊接時的局部快速熱循環、熱力耦合的不可忽略以及所包含的塑性、有限變形等非線性因素, 使得要保證求解精度和解的收斂性有一定困難5.本研究采用的非線性措施有:激活大應變效應; 緩慢加載(使用許多子步 到最終的載荷值; 采用修正的牛頓2拉弗森迭代方法; 打開自動時間步長, 激活二分法, 但限制了最小時間步長;

12、應用預測. 以上非線性措施在ANSYS 中都可直接實現. 初始階段平板是處于自由狀態的, 任何受力和位移, (度 形狀開始的結構時, 中的發散, 4求解結果4. 1溫度場求解結果如圖2所示, 焊接在66. 67s 時結束, 計算持圖2各個時刻的溫度場(a A -200, B -400, C -600, D -700,E -900, F -1200, G -1400, H -1500; (b A -32, B -56, C -80, D -105,E -128, F -153續到冷卻至146. 67s 時溫度場的情況. 隨著電弧的向前移動, 溫度場發生變化, 熔池也隨電弧一起移動. 在試板的中間

13、部分, 電弧作用區域附近的溫 度場分布基本達到平衡, 等溫線分布如圖2(a 所示, 計算結果符合平板堆焊溫度場的一般規律. 另外, 如圖2(b 所示, 冷卻到146. 67s 時, 等溫線逐漸趨向與焊縫平行, 表明沿縱向的溫度梯度較小, 沿橫向的溫度梯度相對較大, 這也符合殘余應力應變沿縱向的分布相對較均勻的現象.圖3為熔 池以下位置(離上表面距離為2. 7mm 循環曲線. , , .圖3焊縫底部(離上表面距離2. 7mm 的熱循環曲線4. 2焊接變形求解結果圖4為工件冷卻到146. 67s 的變形結果示意圖, 主要的變形是角變形. 實測的角變形與有限元計算的146. 67s 時的角變形比較見

14、表1. 表1中的截面1、截面2和截面 3分別為距離焊接起點20mm ,100mm 和180mm 的橫截面.圖4焊后冷至146. 67s 時的變形示意圖在施焊加熱中, 沿焊縫長度方向的角變形是逐步減小的, 即左下角的角變形最大. 而在冷卻過表1角變形實測值與有限元計算值比較截面1截面2截面3實測值/rad 0. 019930. 012510. 0226858第11期羅金華等:基于ANSYS 的中厚板焊接有限元三維數值模擬程中, 厚度方向的位移都增大, 但是沿焊接方向各點的增大速度不一樣, 角變形慢慢發展為沿焊縫長度方向增加, 即右下角的角變形最大. 值得注意的是, 在整個變化過程當中, 等位移線

15、都是弧線. 這意味著, 在施焊和冷卻過程中, 平板會發生沿縱向的撓曲變形. 在平板邊緣的角變形是沿著焊接方向逐漸變大的, 而在焊縫附近則可能由于撓曲, 會發生焊接起點和終點的角變形較大, 而中間部分角變形較小的情況.參考文獻1汪建華, 戚新海, 鐘小敏. 三維瞬態焊接溫度場的有限元模擬. 上海交通大學學報, 1996, 30(3 :1201252鹿安理, 史清宇, 趙海燕等. 厚板焊接過程溫度場、應力場的三維有限元數值模擬. 中國機械工程, 2001,12(2 :1831863ANSYS Inc. ANSYS elements reference. Twelfth Edi 2tion. Can

16、onsburg :SAS IP Inc. , 2001.4ANSYS Inc. ANSYS modeling and meshing guide.Twelfth Edition. Canonsburg :SAS IP Inc. , 2001. 5倪強, 王乘, 黃玉盈等. 焊接過程的耦合三維熱彈塑性有限元分析. 華中理工大學學報,1997, 25(1 :8485Numerical of plates basedf element on ANSYSL Ji nhua W ang Xiaoxi Hu L unjiAbstract :, three 2dimensional finite eleme

17、nt numerical dynamic simulation of welding of mid 2thick plates was carried out. The amount of calculation was controlled within the acceptable range. Two kinds of elements were combined to get the uneven grids of meshes. During the loading history , the overmeasure was controlled to ensure the prec

18、ision of nodes selection. For the analysis of stress and strain fields , a series of nonlinear measures were adopted. From the simulation results the development of angular deformation in the heating and cooling process was discovered.K ey w ords :welding ; finite element analysis ; numerical simula

19、tion ; ANSYS ; temperature field ; stress andstrain fieldLuo Jinhua Doctoral Candidate ; College of Materials Sci. &Eng. , Huazhong Univ. of Sci. &Tech. ,Wuhan 430074, China.(上接第70頁2王珊, 陳紅. 數據庫系統原理教程. 北京:清華大學出版社,1998.3劉勝利. 新型電冰箱故障診斷維修方法200例. 北京:高等教育出版社,1999.4張華俊. 電冰箱和冷柜的原理、選用與維修. 西安:西安電子科技大學出版社,1998

20、.Information system for fault diagnosis ofrefrigerator based on WebL i u B i ngquan W ang Hong Xiao B iao Zhou Yongpi ngAbstract :Using Visual Basic and SQL Server , the authors designed the information system for fault diag 2nosis of refrigerator based on Web. The individual function module and the corporation function module were presented in this system. Th