焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析

焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析

焊接变形与焊接应力

焊接时，加热和冷却循环总会导致一定程度的变形，焊接变形对尺寸稳定性以及结构力学性能都有很大的影响，控制焊接变形在焊接加工中是一个关键的任务。

在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生复杂的残余应力分布。残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。

对构件进行焊接，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接残余应力。并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。

Ansys有限元焊接分析

为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及

残余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。

ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。

间接耦合法的处理思路为先进行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。即：

(1)使用热分析的手段进行热分析，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。

(2)重新进入前处理中,将热分析单元转换为相应的结构分析单元，设置结构分析中材料属性,如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。

(3)读入热分析的结点温度作为结构分析的荷载,设置参考温度,结构分析求解残余应力。

而直接耦合法为采用Ansys提供的可以进行复合域（热-力学分析）分析的单元类型，同时进行热分析与力学分析，从而获得焊接后的变形与残余应力。

以下分析过程分为厚板对接焊的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、厚板的全熔透T形接头焊缝的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、箱型截面构件的焊接变形与残余应力分析和K型节点

的焊接变形与残余应力分析四个部分。

其中第一、二、三部分采用Ansys中的实体单元，以直接耦合法对焊接过程进行模拟，并分析了焊接后的变形与残余应力，第四部分则采用壳单元以间接耦合法对焊接变形与残余应力分析。

采用的计算参数说明如下。

钢材应力应变关系采用双线性随动强化非线性关系，不同温度下的应力应变曲线如图所示，其中，

1）折点位置为屈服应力，常温下取为345*E6 N/m2；

2）曲线斜率为弹性模量E，常温下取为*E11 N/m2；

3）达到屈服点后的弹性模量取值较小以模拟钢材的塑性屈服。

钢材弹性模量采用随温度变化的非线性关系，如图所示。

未考虑以下参数随温度的变化，而将其取为常数：

热膨胀系数取为*10-5 m/m*K

热容量取为520 J/(kg·K))

热传导系数取为W/(m·k))

泊松比为

密度为7850N/m3

为方便起见，焊药的热力学性质和力学性能取与钢材相同。

厚板对接焊的变形与残余应力分析变形图:

残余应力分布图:

纵向残余应力:

横向残余应力:

全熔透T形接头焊的变形与残余应力分析有限元网格划分图:

变形图:

残余应力分布图:

横向残余应力:

箱型截面构件的焊接变形与残余应力分析有限元网格划分图:

变形图:

变形图(部分):

残余应力分布图:

残余应力分布图(部分):

K型节点的焊接变形与残余应力分析有限元网格划分图:

变形图:

残余应力分布图:

厚板对接焊缝焊接过程模拟示意图

施工过程模拟中每次生成一个焊缝单元，模拟方法为按照次序生成单元，将新生成单元所包含的节点的温度定为1500度（持续时间为），将此作为初始条件进行计算，经5s（模拟焊接一个焊缝单元所需时间，此段时间内焊缝将根据给定条件传热给周围单元降温）后生成下一单元。依次生成全部单元完成整个焊接过程的模拟。

全融透T形接头焊接过程模拟示意图

小节

经过以上对厚板对接焊的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、厚板的全熔透T形接头焊缝的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力分析、箱型截面构件的焊接变形与残余应力分析和K型节点的焊接变形与残余应力分析，可以看出：

焊接过程模拟的有限元分析具有相当的精度，可以为实际施工过

程提供参考以优化施工工序和施工工艺。

采用有限元对焊件变形和残余应力的分析可以获得与实际情况

比较符合的变形和残余应力，以便事先采取相应措施加以解决。