大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析

图 6 Mise s 残余应力分布 Fig16 Mise s re sidual stre ss distribution
由于热弹塑性有限元分析特有的过程跟踪特 性 ,可以预测各种工艺参数 、焊接顺序 、支撑约束等 边界条件下的焊接变形和残余应力分布 。通过在焊 接变形大的区域增加各种有效的支撑、约束 ,增大结 构变形刚度 ,可以有效的减小焊接变形 ,使变形达到
陈建波
0 序 言
焊接是一个涉及电弧物理 、传热 、力学等的复杂 过程 。焊接过程中 ,由于焊缝金属的热胀冷缩受到 周围金属的拘束而不能自由伸缩 ,导致工件在焊后 存在焊接变形 。过大的焊接变形将影响结构尺寸超 差 ,导致装配达不到工艺要求 ,降低结构的承载能力 等 。因此 ,预测进而控制焊接变形显得非常重要 ,对 大型结构更是如此 。
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分圆筒焊接变形过大 ,在圆筒内部增加槽钢支撑 ,焊 完后再拆除支撑 。平台尺寸为 11 m ×9 m ,厚度为 65 mm ,部分圆筒内直径为 6. 4 m ,厚度为 36 mm ,长 为 8. 7 m。 1. 2 材料参数
平台和部分圆筒及肋骨分别采用不同牌号的船 用高强度耐压钢 ,材料特性参数包括密度 、热容 、传 热系数 、换热系数和膨胀系数等均与温度有关 。部 分材料的成分及性能参见参考文献 [ 5 ,6 ] 。考虑到 焊接过程高温瞬态特性 ,定义材料特性参数随温度 变化 。 1. 3 焊接工艺
图 3 有限元模型 Fig13 Finite element model
1. 5 边界条件 温度场计算过程中 ,结构外表面存在对流和辐
射换热 ,给定一个总的对流系数 ,把对流和辐射换热
第4期
陈建波 ,等 :大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析
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同时考虑进去 ,忽略相变潜热的影响 ,对称面上定义 绝热的边界条件 。同样结构分析时 ,在对称面上施 加对称的边界约束 ,约束图 3 中 A 节点的 y , z 方向 自由度和 B 节点的 y 方向自由度 ,限制结构的刚体 位移和转动 ,约束部分圆筒内 ,杆端节点的所有自由 度。
2 热弹塑性有限元计算
只考虑热与结构的弱相互耦合作用 (即只考虑 热对结构的作用 ,而不计结构对热的作用) ,采用间 接偶合法 ,先计算焊接温度场 ,保存每一步计算结 果 ,再把温度场的计算结果作为载荷施加到结构计 算中 。同时将温度分析单元分别转换为对应的结构 分析单元 SOLID45 ,LINK1 和 PLANE42[8] ,耦合不同 类型单元连接处节点的自由度 。应用单元生死技 术 ,先把焊缝区域的单元全部杀死 ,随着焊接电弧的 移动 ,逐个激活电弧位置处的单元 ,施加焊接热源 。 焊接完第一道后接着焊接第二道直到焊接结束 ,最 后计算拆除槽钢支撑后结构的反弹 ,得到结构的最 终焊接变形 。在焊接阶段 ,温度梯度大采用较小的 时间步长 ,设定时间步长为 0. 2 s ,同时打开自动时 间步长 ,加快计算速度 。通过激活自动时间步长 ,可 以使程序决定在每一个载荷步内使用多少个时间 步 。而焊接结束冷却阶段 ,温度梯度较小 ,采用相对 较大的时间步长 。且随着温度的逐步降低 ,逐渐增 大时间步长 ,以减少计算量 。由于计算过程是个非 线性迭代过程 ,采用修正的 Newton - Raphson 方法进 行线性搜索 ,每迭代一次就修正一次刚度矩阵 ,激活 大变形效应 ,加强收敛 ,保证计算精度 。用 ANSYS 参数化编程语言 APDL (ANSYS paramatric design lan2 guage) 编写命令流程序 ,在配备最新 CPU 的服务器 上 ,完成了结构的热弹塑性有限元计算 。
(2) 在结构刚度小的部位 ,施加适合的支撑 ,增 大结构变形刚度 ,可有效的减小焊接变形 ,使变形达 到工艺要求 。分析结果为焊接施工 、控制焊接变形 提供了很好的理论依据 。
[J ] . 焊接学报 , 2003 , 24 (3) : 87 - 90. [2 ] 马 继 , 陆 皓 , 汪建华. 预测焊接变形几种方法的比较[J ] .
第 29 卷 第 4 期 2008年4月
焊 接 学 报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
源自文库
Vol . 2 9 No. 4 April 2 0 0 8
大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析
陈建波 , 罗 宇 , 龙 哲
(上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 , 上海 200030)
焊接过程采用五人同时同向分段多道焊接 。先 焊内表面 ,后在外表面清根焊接 ,具体焊接工艺参数 见表 1 。
焊前预热 T/ ℃
100～130
表 1 焊接工艺参数 Table 1 Welding parameters
焊接电流 电弧电压 焊接速度
I/ A 120～160
U/ V 24～27
v/ (mm·s - 1) 1. 6～3. 2
热效率 η
0. 75
实际焊接过程需焊接约 30 道左右 ,对于大的结 构模型 ,单元和节点数都很多 ,而热弹塑性有限元分 析是非线性的迭代过程 ,且需要跟踪整个焊接及冷 却过程 ,对计算机计算能力和容量要求都很高 。受 目前计算机计算能力和容量的限制 ,不可能每一道 都计算 。这里主要着眼于焊接变形的预测 ,可以通 过组合多道焊道来减少焊道数简化焊接过程 。在等 热效应前提下 ,将几道焊组合成一道焊接 ,一次输入 这几道焊的焊接能量 ,保证组合后的焊道 ,在焊接区 域内单位体积的能量和组合前不变 。例如 :将最开 始打底焊接的前四道 ,组合成一道焊接 ,一次全部投 入这四道焊的能量 。显然随着简化道数的增加 ,计 算结果也越来越接近实际情况 。对模型进行过简化 为二道 (内 、外表面各一道) 、四道和六道的计算 ,结 构的最大变形出现在平台中心处沿 y 方向的变形 , 其最大变形与焊接道数简化的关系如图 2 所示 。可 以发现平台中心沿 y 方向的最大变形 ,简化为二道 时的最大变形量为 3. 984 mm ;简化为四道时 ,最大 变形量为 2. 076 mm ;简化为六道时 ,最大变形量为 1. 75 mm ,随着简化道数的增加 ,变形越来越接近实 际焊接变形 。实际最大焊接变形小于 1. 75 mm ,再 简化为更多的焊道计算意义不大 ,所以将焊接道数 简化为内 、外表面各三道共六道的焊接 ,这样计算结 果能满足工程应用的要求 。
图 4 结构焊接变形 Fig14 Welding distortion
中在 1. 2 mm 附近 ,受分段焊接的影响 ,在分段交接 处稍有变大的趋势 。为进一步减小平台的焊接变 形 ,可在平台的适当位置增加横梁 ,焊后再拆除 。焊 后 Mises 残余应力分布如图 6 所示 。
图 5 焊缝内侧节点沿 y 方向位移图 Fig15 Displacement in y direction along inboard weld
3 计算结果及分析
运用 ANSYS 通用后处理器/ POST1 ,扩展对称部 分 ,得到整个结构的计算结果 。由于结构厚度大 、截 面庞大 ,有很好的抵抗横向 、纵向收缩的能力 。计算 结果表明 ,横向和纵向收缩都较小 。通过计算得到 结构沿 y 方向变形如图 4 所示 。
从图中看出 ,由于有内部槽钢支撑和外部 T 形 肋骨的加强 ,部分圆筒刚度很大 ,能很好的抵抗焊接 变形 。平台的角变形受到外侧 T 形肋骨的抑制和内 侧自身对称张力的影响 ,变形也较小 。内侧焊缝附 近节点沿 y 方向位移如图 5 所示 。节点位移大都集
1 试验方法
1. 1 结构模型 焊接结构及坡口如图 1 所示 ,结构由平台和部
分 圆筒焊接而成 ,圆筒外部有 T形肋骨 。为防止部
收稿日期 : 2007 - 06 - 18 基金项目 : 江苏科技大学先进焊接技术省级重点实验室开放基金资
助项目 (JSAWT - 07 - 02)
图 1 焊接结构及坡口 Fig11 Welding structure and groove
图 2 最大变形与简化道数关系 Fig12 Relation between maximal distortion and welding bead
1. 4 有限元模型 由于结构和载荷对称 ,取结构的一半建立模型 。
结构庞大 ,不能将结构的网格划分得过细 。用非均 匀的网格划分 ,在焊接热影响区域 ,温度梯度大 ,应 力应变变化大 ,采用相对较细密的网格划分 。远离 焊缝的区域对焊接变形影响很小 ,为了减少计算量 , 同时不影响计算精度 ,使远离焊缝的区域网格划分 得较大 ,将有效地减少计算量 ,同时对结构的焊接变 形也影响不大 。在不影响计算结果并保证收敛的前 提下 ,减少单元和节点 ,减少计算量 。依据坡口形 状 ,实体部分选用八节点实体单元 SOLID70 。支撑 槽钢主要承受拉压载荷 , 选用二节点杆单元 LINK32 。而外部 T 形肋骨利用等惯性矩 、等抗弯刚 度原则[7]用带厚度的平面单元 PLANE55[8]建立 T 形 肋骨部分 。建立与结构实际尺寸完全相同的三维有 限元模型如图 3 所示 。模型单元总数为 16 757 ,节 点总数为20 878 。
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要求。热弹塑性有限元分析为优化焊接工艺 ,提供了 有效的手段 ,同时可有效节省设计时间和设计成本。
4 结 论
(1) 通过采用组合焊道 、不同单元混合使用的 等效简化 、减少计算量 、加强收敛的措施 ,运用通用 有限元软件 ANSYS 成功地实现了大型复杂结构分 段多道焊的热弹塑性有限元分析 ,预测了结构的焊 接变形和残余应力分布 。
摘 要 : 运用通用有限元软件 ANSYS ,对大型复杂结构采用组合焊道 、不同类型单元混 合使用的等效简化 ,建立三维有限元模型 。在不影响计算精度的前提下 ,采取一系列减 少计算量 ,增强收敛的措施 ,成功地克服了热弹塑性有限元分析计算量大 、收敛困难的 问题 ,完成了对大型复杂结构多道焊的热弹塑性有限元分析 ,预测了结构的焊接变形 。 结果表明 ,在结构刚度小的部位 ,施加合适的支撑 ,能有效减小结构的焊接变形 ,为控制 焊接变形提供了很好的理论依据 。 关键词 : 大型复杂结构 ; 焊接变形 ; 热弹塑性有限元 ; ANSYS 中图分类号 : TG404 文献标识码 : A 文章编号 : 0253 - 360X(2008) 04 - 0069 - 04
算量非常庞大 ,长期以来该方法仅适用于一般焊接 接头的力学行为分析[4] ,很少用于大型结构的焊接 变形预测 。
计算机软硬件技术的发展 ,为热弹塑性有限元 分析在大型结构焊接变形预测中的应用提供了可能 性 。运用通用有限元软件 ANSYS ,在配备最新 CPU 的服务器上 ,通过采用最大限度地粗化远离焊缝区 域的单元以减少单元和节点 ,以及增大时间步长减 少计算量等措施 ,成功地用热弹塑性有限元法对大 型复杂结构的焊接变形进行了分析 ,为控制焊接变 形提供了很好的理论依据 。
数值模拟给焊接变形预测提供了有效的工具 。 目前 ,常用的焊接变形数值模拟方法有固有应变法 和热弹塑性有限元法[1] 。固有应变法通过对焊缝施 加固有应变 ,进行一次弹性有限元计算 ,就可得到整 个结构的焊接变形 。然而 ,固有应变法毕竟是一种 近似的预测方法 ,不同条件下焊缝的固有应变很难 准确获得 ,并且该方法无法考虑支撑条件 、焊接顺序 等因素的影响 ,在实际工程应用中将受到限制 。三 维热弹塑性有限元法可以模拟整个焊接过程中的动 态应力和变形[2] ,不仅可得到结构的焊接变形 ,而且 可以分析焊接残余应力 ,同时还可以较为准确地考 虑各种工艺参数的影响 。但由于焊接热弹塑性计算 过程是个典型的非线性过程 ,矩阵方程奇异性大 ,收 敛困难 ,需要经过多次迭代才能达到必要的收敛精 度[3] 。同时采用热弹塑性有限元法需要跟踪整个焊 接及冷却过程 ,这使得三维热弹塑性有限元分析计