重型运输车车架焊接温度场的研究_朱伟军

摘要：应用ANSYS 对重型运输车车架焊接温度场进行了数值模拟。

建立重型运输车车架焊接温度场的有限元模型，能过适当选取和处理高温时材料的热物理性能参数，应用ANSYS 有限元软件中的APDL 语言编写了温度场数值模拟的相应计算机程序，采用高斯热源法模拟重型运输车车架焊接热源的移动过程，采用ANSYS 有限元软件中的生死单元技术来模拟焊缝逐次填充的过程，得到了重型运输车车架焊接温度场瞬态变化情况及特征点的热循环曲线，获得了重型运输车车架特征点焊接温度场的变化规律。

通过测温试验验证仿真结果与试验结果焊接具有良好的一致性。

关键词：重型运输车架；高斯热源；温度场中图分类号：TG402文献标识码：A 文章编号：1001－2303(2011)10－0027－05第41卷第10期2011年10月Vol．41No．10Oct．2011Electric Welding Machine朱伟军1，卢文壮1，刘杨1，杨波2(1．南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016；2．75160部队，广西桂林541005)Research on welding temperature field of heavy vehicle frameZHU Wei-jun 1，LU Wen-zhuang 1，LIU Yang 1，YANG Bo 2(1．College of Mechanical and Electrical Engineering ，NUAA ，Nanjing 210016，China ；2．Army 75160，Guilin 541005，China)Abstract ：The welding temperature field of heavy vehicle frame was simulated using FEA software —ANSYS．The welding temperatureFEM of heavy vehicle frame was established．Material property parameter in high temperature was properly chosen．The computer program of the welding temperature simulation was compiled using APDL of FEA software．The method of Gauss heat source and “life-death element ”technique were applied to deal with the moving of heat source and the filling of welding material step by step in simulation．Three dimensional transient welding temperature field and the temperature distribution curves of special points on weldment were gained．The welding temperature field variation of special points on heavy vehicle frame was gained．The temperature measurement test was done to verify the simulated results．The results show that the simulated results were generally agreed with test results．Key words ：heavy vehicle frame ；Gauss heat source ；welding temperature field 收稿日期：2011－07－10作者简介：朱伟军(1985—)，男，山东潍坊人，在读硕士，主要从事机械制造及其自动化方面的研究。

0前言重型运输车已经广泛应用于国防建设、油田作业、采矿、森林运输等特殊作业环境。

重型运输车底盘车架在焊接制造过程中仍然存在着焊接变形较大等问题，而影响焊接变形的主要因素是焊接温度。

由于影响焊接温度的焊接工作条件和焊接过程工艺参数的制定目前在生产中很大程度上依赖于少数有经验的焊接专家，这些都将影响到产品质量。

本研究结合重型运输车制造工程实际，以仿真软件ANSYS 为基础，对重型运输车车架进行温度场的数值模拟分析，通过少量的实验验证数值方法处理某一问题的正确性[1]，来得到最佳的设计、工艺方法和焊接参数，从而节省人力、物力和时间，降低对专家的依赖，减少人为失误，提高生产效率和焊接质量。

1建模与分析1．1有限元模型的建立和网格的划分基于实际的重型运输车车架，该焊接件属于三块板搭接焊，共有四道焊缝，实物如图1所示，建立的有限元模型如图2所示。

在进行温度场分析时，采用的单元类型为热单元PLANE77。

由于焊接温度场瞬间变化大，要想获得一个好的温度场，焊缝处的单元应划分的相对细小，而远离焊缝的区域则相对较大一些。

这样划分既能保证好的计算精度，又能保证良好的运算速度。

重型运输车车架焊接温度场的研究图1车架实物图2有限元模型1．2材料的热物理性能参数焊接温度场数值模拟过程中需要的热物理性能参数有：导热系数、密度、比热容。

焊接模拟属于典型的瞬态非线性分析，焊接过程中焊接件的温度从室温变化到1500℃以上，然后又冷却到室温，温度变化十分剧烈，因此材料的热物理性能参数也相应的发生变化，分析时必须确定好相应的特性参数。

本研究通过在ANSYS 中输入材料的典型热物理性能参数，建立相应的数据库，其他未知温度的热物理性能参数可以通过外推法和插值法来确定。

1．3高斯热源模型焊接热源模型的选择是实现焊接过程数值模拟的基本条件。

焊接热源具有瞬时、集中、移动的特点，易形成对空间和时间梯度都很大的不均匀的温度场，这正是形成焊接残余应力和变形的根本原因。

因此，焊接热源模型的选择对温度场正确的数值模拟至关重要，进而为应力场的结构分析打下良好的基础。

对于CO 2气体保护焊，可以不用考虑电弧吹力和熔池流体传热特征，并且由于高斯热源分布函数在无限远处的热流密度逐渐趋向于零，正好符合焊接实际热源的分布特征。

所以，采用高斯热源模型(见图3)模拟焊接热的移动过程能够得到较为满意的结果。

高斯热源的热流密度函数为[2]q (r )＝3Q EXP(－3r 2)式中q (r )为热源有效加热范围内半径为r 处的表面热流；Q 为输入热量，Q ＝ηUI ，其中η为加热效率，U 为焊接电压，I 为焊接电流；R 为有效加热半径，r为点到电弧加热中心的距离。

图3高斯热源模型1．4生死单元技术在进行焊接过程中，焊缝的产生是焊接材料逐次填充的结果，也就是说焊接模型中焊缝处的单元最初是不存在的，随着焊接的进行将逐渐产生。

因此，要想真实地模拟焊接的这一过程，就必须使用ANSYS 有限元软件中的生死单元技术。

ANSYS 中单元的生死，并不是将“死亡”的单元从模型中删除掉，而是将“死亡”单元刚度矩阵乘以一个很小的因子，因子缺省值为1E06[3]。

从而，使那些被“杀死”的单元的载荷、质量、阻尼等变为零；单元的“出生”也不是将新的单元添加到模型中，而是将以前“死亡”的单元重新激活，激活后，该单元的刚度、载荷、质量、阻尼等将恢复到原来的初始值。

在使用ANSYS 进行焊接温度场数值模拟的过程中，首先应将焊缝处的单元全部“杀死”，随着焊接的进行，再将焊缝的单元依次激活，以此来模拟焊缝填充的过程。

2车架焊接温度场仿真结果分析2．1焊接工艺条件选用的焊接工艺参数为：焊接电流220A 、焊接电压25V 、焊接热效率0．7、焊接速度5mm ／s 、电弧的有效加热半径20mm ，焊接过程中的初始温度为20℃。

由于该重型运输车车架焊接过程中分为四道焊接，这就会关系到焊接顺序的问题，因此本研究采用的焊接顺序是从上到下依次焊接来进行温度场的数值模拟和实验。

2．2温度场分析焊接残余应力的存在是产生焊接变形的根本原因，对焊接质量的提高带来直接影响。

焊接温度场的数值模拟是焊接应力场结构分析的前提，温度场计算结果的正确性对应力场的数值模拟产生相当大的影响[4]。

焊接设备第41卷该重型运输车车架长度达8m，给温度场结果分析带来诸多不便，并且在ANSYS窗口中不易整体显示。

因此，为了研究方便，将重型运输车车架在长度方向上均分为20段，每段长400mm，应用ANSYS软件中的Select—Everything Below—Selected Volumes命令集中对其中一段进行相应的温度场结果分析。

实际观察和理论研究发现，整体车架和其中的每一段的温度场都有相似的变化规律。

图4～图7分别是第一～第四道焊缝在焊接过程中某瞬时以及冷却过程的温度场分布云图。

由图可知，焊接过程正是热源移动的过程，随着热源的移动，焊缝逐次填充，焊接件上的各点温度随时间发生相应的变化；在电弧的前方温度的梯度比较大，在电弧的后方温度梯度相对小些；从冷却图7第四道焊缝焊接和冷却温度云图图4第一道焊缝焊接和冷却温度云图图5第二道焊缝焊接和冷却温度云图图6第三道焊缝焊接和冷却温度云图焊接设备朱伟军等：重型运输车车架焊接温度场的研究第10期云图可以看出，冷却到最后都达到了室温，在焊缝附近冷却的相对慢些，这是由于焊缝及焊缝附近只能靠热传导和热辐射进行散热，而焊接件的其他部位可以多个方向进行散热，因此冷却较快。

在ANSYS 有限元分析软件的时间后处理器中，可以定义平行于焊接方向和垂直于焊接方向的各点来绘制温度时间历程曲线。

以第一道焊缝为例，图8显示了焊缝中心线上距离焊接起始端距离分别为100mm(A 点)，150mm(B 点)，200mm(C 点)，250mm(D 点)，300mm(E 点)五个特征点的热循环曲线。

图8平行于焊缝方向各点的热循环曲线由图8可知，沿焊缝方向，在焊缝中心线上距离焊接起始端等距离的各点的温度时间历程具有相似的变化规律。

在焊接过程中，随着焊接电弧的移动，焊接件上某节点温度由低温到高温迅速升到了最大值，然后温度开始缓慢下降，开始冷却。

从图8还可知，焊接件加热的速度要明显大于冷却的速度，这是由于焊接件初始温度比较低，焊接热源具有集中性、瞬时性，使得焊接件迅速升到了最大值，当电弧远离该位置时，之前的余热使其温度下降较慢。

这一快速加热升温以及缓慢冷却降温正好符合焊接的实际过程。

为了分析远离焊缝区域的焊接件的温度变化情况，在垂直于焊接方向上取距离焊接起始端200mm 的焊缝中心点(Ⅰ点)以及距离焊缝中心线距离3mm (Ⅱ点)、6mm(Ⅲ点)、12mm(Ⅳ点)、18mm(Ⅴ点)五个特征点，通过ANSYS 的时间历程处理器得到这五个节点的热循环曲线，如图9所示。