基于ANSYS软件焊接温度场应力场模拟研究

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第 2 卷第 5 期 0 Vl2 o5 o .0N . [ 文章编号] 0 3-4 8 (0 5 1-0 10 10 6 4 2 0 )00 8-4

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20 年1 月 05 0 Ot2 0 c .0 5

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基于 AN d 软件焊接温度场应力场模拟研究 S S

李冬林

( 湖北工业大学机械工程学院,湖北武汉 4 0 6 ) 308 [ 摘要]阐述了如何运用有限元软件 AN d 对焊接温度场、应力场进行数值模拟计算, 出在计算过程中指SS

要注意的环节, 并对平板堆焊问题进行实例计算 . 总结出模拟计算中的难点问题和未来的研究发展方向 . [ 关键词]温度场;应力场;AN d ;数值模拟 SS [ 中图分类号]T 4 G [ 文献标识码] A :

焊接温度场的准确计算是焊接质量控制、接焊冶金和力学分析的前提, 对焊接过程应力场的动而态变化及焊后残余应力和变形进行准确预见, 减是 . 通过实验的方法来获得焊接过程的温度和应力值虽然比较可靠, 但往往需要花费很长的时间和大量的经费 . 运用有限元软件在计算机上进行焊接过程的数值模拟, 可以在较短的时间内获得不同参数条件下的各项数据 . 因此, 计算机模拟技术有其独特的优点. 笔者在查阅大量文献并反复试验的基础上, 总结出了一套如何采用有限元软件 AN d 对焊接温 S S 度场、应力场的动态变化过程进行数值模拟的方法, 并提出了模拟计算中的难点问题和未来重点的研究方向 . 少焊接裂纹和提高接头强度与性能的重要手段

[] 1

需给定随温度变化的各物理性能参数值 . 般高温一时的物理性能参数比较缺乏, 它对计算结果有较但大的影响, 可采取实验和插值等方法获得 . 焊接热应力的计算属于热弹塑性问题, 算时应指定塑性分计析选项为双线性等向强化, 定义随温度变化的屈并服应力和切变模量值 . 焊接过程中存在两种相变潜热: 态相变潜热固和熔化潜热 . 由于前者一般比后者小得多, 通常可以忽略 . 关于熔化潜热的处理, S S 中在定义材料 AN d 属性时通过给定热焓的值加以考虑 . 依 1. 2 建模和划分网格建模时, 据焊件的形 1. 状、尺寸、载荷的形式等综合考虑几何模型的形状 . 对于对称、反对称或轴对称焊件结构, 尽量运用其对称性来简化模型 . 在焊接过程中, 由于高度集中的热源输入, 必须将焊缝处的网格划分得极为细密, 单元网格最好故在 2mm 以下, 以提高计算精度 . 远离焊缝的地方网格划分得可以稀疏些, 以减少整个模型的节点数, 进而

缩短计算时间 . 1 是一种比较好的过度型网格图划分形式 .

1 模拟计算的过程

热、电声 AN d 软件是一个融结构、流体、磁、 S S [] 2 通用的有限元软件 . 接焊学等分析为一体的大型、温度场、应力场的模拟就是运用其热、结构及二者的耦合分析功能进行计算, 先运用其热分析功能计即算整个焊接过程的温度场, 后将温度场的计算结然果作为热载荷进行结构的力学分析, 到应力场的得整个动态变化过程 . 1. 建立有限元模型 1 1. 1 定义材料属性 1. 由于焊接过程中温度梯度

很大, 导致严重的材料非线性, 定义材料属性时, 在

[ 收稿日期] 0 5-0 20 5-1 0 [ 作者简介]李冬林(9 3- ) ,女,湖北荆州人,湖北工业大学讲师,研究方向:机械 C D C E. 17 A/ A

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计算热应力时, 采用热分析中的有限元模型, 但须将热单元转换为相应的结构单元 .

1. 加载计算 2 1. 1 分析选项的确定

2. 焊接过程中存在很大的

利用 AN d 的后处理模块可对整个焊接过程 S S 的计算结果进行查询和处理, 以判断网格是否精确, 分析结果是否正确 . 在通用后处理中, 可查看焊到某个时间点时, 焊件上各点的温度、力 . 在时间历程后处理中, 应而可查看焊件上某点的温度、力在整个焊接过程中随应时间是如何变化的 . 要查看整个焊件在整个焊接若过程中温度、应力的动态变化, 可用 AN d 中的动 S S 态显示技术 . 它 AN d 中的误差估计是基于能量分布的, S S 主要考虑了单元网格的尺寸精度 . 温度场和应力在场的计算时, 般计算结果中能量误差值应低于一1 , 0g 否则需将网格细化 .

非线性 . 它既有大应变问题即几何非线性问题, 又有材料非线性如塑性变形、塑性、变等 . 果分析粘蠕如选项设置不当, 常会导致计算难收敛 . 此, 作通为需如下设置: )采用 F l e t n R p s n 方法, 每 1 u lN Z o- a h o 进行一次平衡迭代, 就修正一次刚度矩阵, 同时激活自适应下降功能; )打开大应变选项; )打开自动 2 3 时间步长; )打开时间步长预测 . 4 时间步长的设置通常对计算精度产生很大的影响, 步长越小, 计算越精确, 过小的时间步长需要但很大的计算机容量和很长的计算时间 . 焊接过程在中一般时间步长应控制在 0. 左右; 冷却过程在 1s 中, 可逐步增大时间步长 . 1. 2 载荷模型的选取与施加在焊接热过程的 2. 研究中, 人们提出了一系列的热源计算模式 . 对于通常的焊接方法( 如手工电弧焊、钨极氩弧焊) 采用呈 , 高斯函数分布的热源模型可以得到较满意的模拟结果. 但对于电弧冲力效应较大的焊接方法, 如熔化极氩弧焊和激光焊, 常采用双椭球形热源分布函数 . 为求准确, 还可将热源分成两部分, 采用高斯分布的热源函数作为表面热源, 件熔化部分采用双椭球形焊