平板对接温度场及应力应变场模拟

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平板对接温度场及应力-应变场模拟
摘要：本文是通过使用计算机模拟技术，用ANSYS 软件模拟平板对接焊接工艺的温度场，
并用间接求解的方法计算出焊接残余应力场。

作者对比了面部加载高斯热源和内部热生成这
两种方法，总结两种热源的优缺点，并将两者结合起来作为一种复合热源。

复合热源的计算
结果与传统的分析结果和理论相吻合。

关键词：计算机模拟；温度场；残余应力场；复合热源
1 引言
焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲)，而这是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。

焊接应力和变形不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，而且在一定条件下将影响结构的承载能力，如强度，刚度和受压稳定性。

除此以外还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。

因此，在设计和施工时充分考虑焊接应力和变形这一特点是十分重要的[1][2]。

随着大规模工业生产和高新技术的发展，焊接结构正朝着大型化、复杂化、高容量、高参数方向发展，其复杂程度越大，工作条件越苛刻，造成焊接事故也越频繁，危害性也越大，所以提高和保证焊接质量已经成为当前焊接中的关键问题。

焊接过程中局部集中的热输入，使焊件形成非常不均匀、不稳定温度场。

温度场不仅直
接通过热应变，而且还间接通过显微组织变化引起相变应变决定焊接残余应力。

因此，温度场的分析是焊接应力和变形分析前提[3]。

本文就是利用大型通用的有限元软件ANSYS 对焊接温度场、应力场和变形进行了计算机的三维实时动态数值模拟，通过先计算焊接温度场，再把温度场结果作为应力和变形计算时的载荷，从而得到任何时刻、任何点的焊接应力、变形的具体计算数值，这无论是对焊接设计还是工艺都很有价值。

2 平板对接温度场模拟
2.1 材料物理性能参数以及单元类型的选择
由于是探讨性的模拟，所以模型假设为100mm×50mm×6mm，电弧中心沿Z 方向移动。

并用以下命令流依次定义导热系数，比热容以及密度用于进行温度场模拟。

mp,kxx,1,66.6
mp,c,1,460
mp,dens,1,7800
单元类型的选择原则为 1.必须具备单元生死功能 2.具有耦合功能，可以进行热-应力耦
合分析3.必须为三维单元4.焊缝处单元可以进行规则划分。

根据以上原则，选用ANSYS 单元库中的热分析单元，二维模型用四节点四边形单元PLANE55，三维模型用八节点六面体单元SOLID7O。

SOLID7O 是一个具有热量传导能力的三维单元。

该单元有八个节点，每个节点具有一
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个自由度—温度。

该单元用于三维的稳态或瞬态热分析，还可从一个恒定的速度域补偿大量热流输入，形状如图2-1 所示。

图2-1 SOLID7O 单元示意图
2.2 建模与划分网格
在比较面载高斯热源和内部热生成的时候，所建立的模型如图4-2。

如图4-2 所示，笔
者总共划分了5 个体，中间的体用于模拟焊缝，与焊缝相邻的两个体用于模拟焊接热影响区，边上的两个体用于模拟母材。

并合理的进行映射网格划分，尺寸分配为焊缝为4，焊接热影响区为2，母材为1。

划分结果如图2-2 所示。

图2-2
建模示意图图2-3 划分网格示意图
2.3 温度场模拟结果
以下就是通过在模型上分别施加面载高斯热源（左图）和内部热生成（右图）的结果。

通过循环语句用于实现热源移动。

图2-4 焊接前期温度场
图2-5 焊接中期温度场
图2-6 焊接后期温度场
图2-7 使用高斯热源模拟焊接图2-8 用内部热生成的方法模拟
中期温度场的热源切片焊接中期温度场的热源切片
从上列图可以看出两种热源已经按照笔者的设计进行了移动。

而且不难看出使用面载高
斯热源加载的方法得到的温度场特点是面部的热源区温度场模拟的较好，但是温度在焊接过-4-
程中扩散的并不是太明显。

此外，高斯热源由于是面加载，所以由高斯热源模拟出来的温度场的一大缺点是沿厚度方向的温度场不是很符合真实的焊接时的温度场分布。

内部热生成加载后的温度场，虽然在沿厚度方向的温度场比高斯热源更加贴近真实的焊接。

但是，用内部热生成加载的方法获得温度场在焊缝表面分部的热源中心区没有高斯热源模拟出来的效果好。

并且在焊接后的冷却过程中，这两种方法模拟出的结果也不尽相同。

如下图所示：面载高斯热源（左图）和内部热生成（右图）。

图2-9 焊接温度场冷却前期
图2-10 焊接温度场冷却结束
从冷却温度云图可以发现在温度的分布上用高斯热源模拟能比用内部热生成模拟更具
有优势。

但总体上都是符合焊接温度。

总而言之，这两种方法都可以用于进行焊接模拟，但是适用的焊接工艺方法不一样。

对于面载高斯热源加载，适用于非熔滴生热的焊接方法。

对于内部热生成加载方法适用于熔滴生热的焊接方法。

问题在于用于面载高斯热源的方法加载热不容易得到合适的熔深，而用于内部热生成的方法加载虽然总体比面载高斯热源较好，但是忽略了电弧传热。

笔者结合以上的种种讨论，通过修改模型以及网格划分。

由于面载高斯热源是面热载荷，而内部热生成是体热载荷。

两者如果建立在同一个体上会出现热源相互删除的问题。

所以建模如下图2-11 所示，将内部热生成的体和面载高斯热源的体格开。

面载高斯热源的体的厚度为模型厚度的1/10，两个体近似的接近同一个体。

并进行映射网格划分如图2-12。

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图 2-11 建模示意图图2-12 网格划分
这种面载高斯热源和内部热生成的方法下面都将称为高斯-热生成复合热源。

下列各图
就是用复合热源模拟出来的温度场以及节点热循环曲线。

图 2-13 热源移动图2-14 焊接中期温度场热源处切片
图 2-15 焊接热循环曲线
图2-16 焊接冷却终了温度场云图
从上面可以看出复合场集合了面载高斯热源和内部热生成的优点。

温度场云图中可以看
到热源中心的温度场和面载高斯热源的形状一样，而且由于内部是用的热生成作为热源，很好的模拟出熔滴发热的情况。

所以在厚度方向比高斯热源的温度场更为合理。

由于加上了面载高斯热源，这样一来在内部热生成的基础上又考虑到了电弧传热。

所以笔者建议使用这种复合热源的加载方法。

并且通过调整面载高斯热源和内部热生成的热输入的比例来模拟更多的焊接工艺情况。

由于温度场是应力变形计算的前提，所以以上研究就显得尤为重要了。

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3 平板对接焊接残余应力-应变场模拟
3.1 加载求解
紧接着复合热源模拟的温度场计算，通过语句etchg, tts 改变单元属性进入结构运算，设定好材料的弹性模量，泊松比，线膨胀系数。

通过下面的命令流，将温度场的结果作为载荷，以载荷步为单位，使用循环语句加载到求解结构的模型中。

计算热应力时所施加的载荷就是温度场计算的结果，所以只需读入各节点的温度值即
可，这里将时间步长设为1，每次读入温度场分析一个载荷步的结果，以便于温度载荷的读入和提高计算精度。

焊接属于大应变问题，设定分析选项时，须将NLGEOM 置为ON。

此外，采用Full
Newton-Raphson(牛顿—拉普森)方法进行平衡迭代并激活自适应下降功能、打开自动时间步长和时间步长预测以加快计算收敛。

ANSYS 中提供了5 种求解器，选用哪种求解器可依据求解的自由度数量、所花费的时间和要求的内存而定。

对于焊接一般采用程序自动选择求解器的方法可得到比较好的计算效果。

3.2 应力和变形计算结果
应力场结果如下列图所示：
图 3-1 横向残余应力分布云图
图3-2 纵向残余应力分布云图
由上列图可知，最大应力均为拉应力，而且都位于焊缝附近，纵向拉应力最高可达
273Mpa，接近材料的抗拉强度，这也是焊接件焊缝中心容易出现裂纹等缺陷的原因之一。

纵向最大压应力位于热源附近（这与热影响区金属迅速受热膨胀对附近区域金属挤压产生压应力的原理相符）。

最后再查看用复合热源模拟出的平板对接的变形结果：
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图 3-3 平板对接应力变形
从图 3-3 看出焊接残余应力使得平板上翘，发生角变形，和实际情况也是相符合的。

4 总结
以平板开V 型坡口对接焊接为例，对比面载高斯热源和内部热生成方法模拟温度场的
优缺点。

之后，笔者提出一种高斯-热生成复合热源，用于更好的模拟焊接温度场。

并用笔者认为合理的温度场，采用热—结构间接耦合法计算，得到焊后的残余应力分布以及焊后变形。

应力-变形结果再次验证了复合热源的正确性。

并整理出其求解算法的命令流。

可知，焊接过程中的温度场呈准稳态分布。

焊接过程中焊件上各点的应力变化非常复杂，所研究的各点即使温度趋于稳定，但应力仍要产生一定的变化。

这说明变形协调原则对应力分布有很大的影响。

随着时间的推移，当焊件逐渐冷却时，各点的应力趋于某一稳定值。

焊缝区域的纵向残余应力为拉应力，横向残余应力有拉有压。

焊后焊件有一定的角变形，以上结论与传统的分析结果相吻合。

参考文献
[1]田锡唐．焊接结构[M].北京：机械工业出版社，1981.
[2]拉达伊，熊第京.焊接热效应温度场、残余应力、变形穂M].北京：机械工业出版社，1997.
[3]陈丙森．计算机辅助焊接技术[M].北京：机械工业出版社，1999.
Simulation of welding plate's temperature field and stress -strain field
Wang Long
College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of
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Technology, Beijing (100022)
Abstract
Through the use of computer simulation technology, We simulate welding plate's temperature field and
stress-strain field by using ANSYS simulation software. Authors imposed heat by two ways which are
called Gauss and Internal heat. Summing up the advantages and disadvantages of the two heat sources,
we Combine the two ways. Results of the new way are the same as the results with the traditional
analysis and theory.
Keywords: Computer simulation; temperature field; residual stress field; composite heat__
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