大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析

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(JS AWT -07-02)

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)摘　要:运用通用有限元软件ANSY S ,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;ANSY S

中图分类号:TG 404 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2008)04-0069-

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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。

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

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ANSY S ,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。

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

图1　焊接结构及坡口

Fig 11　Welding structure and groove

第29卷第4期2008年4月

焊　接　学　报

TRANS ACTI ONS OF THE CHI NA WE LDI NG I NSTIT UTI ON

V ol.29　N o.4April 2008

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11m×9m,厚度为65mm,部分圆筒内直径为6.4m,厚度为36mm,长为8.7m。

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

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。

表1　焊接工艺参数

Table1　Welding parameters

焊前预热

T/℃焊接电流

I/A

电弧电压

U/V

焊接速度

v/(mm・s-1)

热效率

η

100～130120～16024～27 1.6～3.20.75

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3.984mm;简化为四道时,最大变形量为2.076mm;简化为六道时,最大变形量为1.75mm,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1.75mm,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S O LI D70。支撑槽钢主要承受拉压载荷,选用二节点杆单元LI NK32。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P LANE55[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16757,节点总数为20878

。

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

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　焊　接　学　报第29卷