基于“壳-固”耦合方法模拟焊接装配

基于“壳-固”耦合方法模拟焊接装配
张宏;徐志敏;王海英
【摘要】The Shell-Solid coupling finite element model during welding assembly process for heavy workpiece has been built, which considered
the relationship between the physical property parameter of material and the temperature. By adopting SYSWELD software, the simulated heat source for welding has been built and checked.Under the condi-tion of the welding sequence and the process constraint, the finite element simulation for welding assembly has been carried out, and the influence of assembly sequence on the welding stress and strain of workpiece has been analyzed. Meanwhile, the comparative analysis between simulated results and actual results has been performed, and the results were consistent with each other perfectly.%针对大型工件的焊接装配，建立了焊接装配过程壳-固耦合有限元模型，考虑了材料物理性能参数与温度的关系。

利用SYSWELD软件建立并校
核了焊接仿真热源，在考虑焊接顺序和工艺约束的情况下进行焊接装配有限元数值模拟，分析了装配顺序对工件焊接应力应变的影响，并与实际结果进行了对比分析，吻合度较好。

【期刊名称】《大型铸锻件》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】5页(P12-15,31)
【关键词】焊接装配;温度场;焊接应力
【作者】张宏;徐志敏;王海英
【作者单位】中国二重集团公司，四川618013;中国二重集团公司，四川618013;中国二重集团公司，四川618013
【正文语种】中文
【中图分类】O242.1
基于“壳-固”耦合方法模拟焊接装配
张宏徐志敏王海英
(中国二重集团公司，四川618013)
摘要:针对大型工件的焊接装配，建立了焊接装配过程壳-固耦合有限元模型，考虑了材料物理性能参数与
温度的关系。

利用SYSWELD软件建立并校核了焊接仿真热源，在考虑焊接顺序和工艺约束的情况下进行焊接装配有限元数值模拟，分析了装配顺序对工件焊接应力应变的影响，并与实际结果进行了对比分析，吻合度较好。

关键词:焊接装配;温度场;焊接应力
中图分类号: O242．1
文献标志码: A
收稿日期:2014—12—10
Simulation for Welding Assembly Based on Shell-Solid Coupling Method Zhang Hong，Xu Zhimin，Wang Haiying
Abstract: The Shell-Solid coupling finite element model during welding
assembly process for heavy workpiece has been built，which considered the relationship between the physical property parameter of material and the temperature．By adopting SYSWELD software，the simulated heat source for welding has been built and checked．Under the condition of the welding sequence and the process constraint，the finite element simulation for welding assembly has been carried out，and the influence of assembly sequence on the welding stress and strain of workpiece has been analyzed．Meanwhile，the comparative analysis between simulated results and actual results has been performed，and the results were consistent with each other perfectly．
Key words: welding assembly; temperature field; welding stress
利用“壳-固单元混合”技术，并借助有限元分析对大型工件的焊接装配工艺进行了焊接应力应变计算和研究。

在不同的焊接顺序边界条件下，计算得到工件的焊接温度、变形和应力分布，为复杂构件进行高效焊接装配提供了一种思路与方法。

1 焊接温度场数学模型
在焊接过程中，温度场的分布随着时间和空间距离的变化而急剧的变化，其瞬时热传导的数学方程
［2］见式(1) :
式中:ρ、λ、c分别为材料密度、导热系数和比热，该参数与温度变化有关。

焊接模拟中计算温度场的两类边界条件见式(2)和式(3) :
(1)已知边界上的热流密度分布
［2］
(2)已知边界上物体与周围介质的热交换
［2］
式中: q表示单位面积的输入热源; h表示表面换热系数; T
a为周围环境温度; n
x，n
y，n
z表示边界法线方向的余弦。

2 “壳-固”耦合单元技术
在焊接过程中，由于焊缝局部应力应变的剧烈改变，导致整体模型变形与应力重新分布。

高温和材料非线性主要出现在焊缝周围热影响区内，塑性应变也集中发生在该区域内。

相对于该非线性区域，工件其他区域的变形则趋于线性弹性，尤其是离热影响区域越远，其线性趋势越明显
［7］。

焊接仿真能分析研究热影响区域的应力应变分布情况，但对于
大型焊接装配件而言，由于工件尺寸巨大并且存在多条按一定顺序进行焊接的焊缝，这些因素使得大型焊接装配件的应力应变数值计算规模巨大，计算效率低下，无法对实际焊接装配工艺进行预测与指导，这也影响到仿真在大型焊接装配中的应用和推广。

而利用“壳-固耦合”单元技术可使大型焊接装配件数值计算准确高效。

在焊缝及
热影响区利用三维实体细分单元，对焊接过程中温度、相变、应力应变耦合进行非线性分析。

在非焊缝和热影响区域应用壳单元技术，在实体单元和壳单元链接区应用过渡壳单元技术，具体如图1所示。

把局部实体单元(六个自由度)焊缝的热和应力应变通过壳过渡单元(三个自由度)转移到整体壳单元模型中，然后对结构应变做出预测，这就是“壳-实体”混合方法的主要思想。

3 某焊接装配件数值模型
本文研究的焊接装配件是由地板和4块腹板通过4条焊缝组焊而成，总尺寸为
300 mm×460 mm×10 mm，工件材质为Q235钢，板厚为10 mm，焊缝处最
厚尺寸为10 mm。

模型和焊缝如图2所示。

由于高温和材料非线性出现在焊缝附近热影响区很小的区域内，塑性应变也集中在这个很小的区域内，为保证仿真精确性，在焊缝附近应用了三维实体单元。

因焊缝附近温度梯度很大，为提高求解精度并满足求解时间的要求，采用了疏密混合网格技术，即在焊缝附近应用细网格，在远离焊缝的地方应用疏网格，采用八结点六面体网格，共55 280个。

图1 壳-固耦合单元分布
Figure 1 Distribution of Shell-Soild coupling element
图2 模型和焊缝
Figure 2 Model and Welds
图3 热膨胀系数
Figure 3 Coefficient of thermal expansion
图4 屈服应力
Figure 4 Yield stress
图5 双椭球热源模型
Figure 5 Double ellipsoid heat source model
考虑到焊接过程的非线性问题，实体模型的网格必须足够细小，以保证计算的精度，所以采用疏密混合的三维实体网格划分。

整体模型提取中面并采用壳单元划分，这样可大大降低求解规模，节约求解时间，在实体和壳单元的过渡区域采用混合单元划分以保证实体单元数据能准确地传递到壳单元上。

整体模型规模为35 126个单元(包括1D，2D单元)。

3．1材料属性和热源模型
金属材料的热、力物理属性对焊接温度场的分布、焊接应力应变有着十分重要的影响，焊接过程中材料物理属性参数是温度的函数。

文中工件材料为Q235钢，在
计算过程中考虑了材料高温性能的非线性，材料属性如图3和图4所示，其中phase 6表示奥氏体，phase 5表示贝氏体，phase 3表示马氏体，phase 1表示铁素体。

工件的焊接采用TIG气体保护焊。

为能真实再现焊接热源，采用传统的双椭球熔
深热源模型
［5、6］，如图5所示。

热源是由前后两个半椭球构成，其高度和长度代表焊接熔深和熔宽。

前、后半部分椭球内热源分布数学模型见式(4)和式(5) :
式中，参数a，b，c可根据焊接熔池几何尺寸进行具体定义; Q =ηUI，Q为热输
入功率，其中η为热效率，U为电压，I为电流; Q
r和Q
f为前后端的能量; v为热源移动速度。

软件计算中双椭球热源参数见表1。

表1 热源参数值
Table 1 Heat source parameters
3．2焊接装配顺序的仿真
焊接过程中热、力等物理现象是双向耦合的，存在大量非线性计算问题，在软件计算中充分考虑了机械、温度和金属金相的耦合计算。

针对细化的三维焊缝区域，计算分两步进行:第一步，考虑温度场耦合相变计算;第二步，中耦合第一步温度计算结果进行应力应变的计算。

对局部焊缝实体模型进行计算后，导出残余塑性应变、焊缝刚度矩阵并映射到整体壳单元模型中，同时考虑构件的焊接顺序和约束作用，最终预测出焊接装配件的应力分布。

焊接顺序与约束如图6～图8所示。

从图8可看出，计算中在模型对称面施加了对称约束，在两个端面施加了位移约束，在底面选取了任意一点施加了全位移约束。

4 焊接装配件数值计算结果分析与验证
4．1焊接顺序A的焊接仿真分析
焊接顺序A的焊接仿真分析见图9。

图6 焊接顺序A模型
Figure 6 Welding sequence A Model
图7 焊接顺序B模型
Figure 7 Welding sequence B Model
图8 约束条件示意图
Figure 8 Sketch of constraint condition
图9 按焊接顺序A的焊缝1 m、4 m塞斯等效应力场
Figure 9 Equivalent stress field according to welding sequence A
图10 按焊接顺序B的焊缝1 m、2 m塞斯等效应力场
Figure 10 Equivalent stress field according to welding sequence B
4．2焊接顺序B的焊接仿真分析
焊接顺序B的焊接仿真分析见图10。

图11 变形场取点示意图
Figure 11 Sketch of reference points in deformation field
图12 两种焊接顺序下焊接后变形对比曲线
Figure 12 Comparison curve of deformation with two sequences after welding
图13 应力场取点示意图
Figure 13 Sketch of reference points in stress field
图14 两种顺序焊接后的残余等效应力场对比曲线
Figure 14 Comparison curve of equivalent residual stress field with two sequences after welding
从图9和图10可看出，利用壳-固耦合单元技术，能客观地反映焊接应力场，并且极大地提高了计算速度。

4．3两种焊接顺序下的变形和应力场分析
如图11所示，取模型顶端节点为变形场对比参考点，对两种焊接装配顺序进行变形曲线对比分析，如图12所示。

图15 焊接顺序A实测变形量与仿真结果对比曲线
Figure 15 Comparison curve of actual deflection and simulated results with welding sequence A
从图12可看出，在两种焊接顺序下焊接变形分布趋势一致，初始变形量都相同，各个拐点变形趋势一致。

焊接顺序A下的变形最大值要明显低于焊接顺序B下的最大值，最小值的对比情况也与此类似。

所以，焊接顺序A变形量整体小于焊接顺序B。

从变形角度分析，A焊接顺序比较优秀。

如图13所示，取模型四个焊接接头焊缝处节点为残余应力场对比参考点，其居于焊接线附近。

对两种焊接装配顺序进行残余应力场曲线对比分析，如图14所示。

从图14可看出，在两种焊接顺序下焊接应力分布趋势一致，初始时应力分布相同，各个拐点趋势一致。

焊接顺序A下的应力最大值要明显高于焊接顺序B下的最大值，最小值的对比情况也与此类似。

焊接顺序A应力分布整体高于焊接顺序B。

从应力角度分析，焊接顺序B比较优秀。

模拟最终以变形量作为主要判断参数，通过对变形参数的对比分析，发现焊接顺序A的变形量控制比B顺序更为优秀，因此选择焊接顺序A作为测试研究对象。

以
下根据焊接顺序A进行实际焊接试验，测试变形与应力值，并进行模拟与实测结
果的对比分析。

4．4焊接顺序A变形量与实测结果对比
在焊接顺序A下对顶端节点变形进行了实际的测量，得到的结果与仿真结果进行
了对比，对比曲线如图15所示。

从对比曲线中可以看出，实测变形值与仿真变形值趋势基本一致，尤其是变形最大值和最小值数值上基本一致，可以看出壳-固耦合技术精度很好，可以在实际工程
中进行推广使用。

5 结论
(1)采用数值模拟对某零件焊接装配中的焊
(下转第31页)。