基于ANSYS软件焊接温度场应力场模拟研究

本文由geyongyahoo贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 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 湖 北 工 业 大 学 学 报 Junl fH biU ies yo eh ooy or a o ue nvr t fTc nlg i 20 年1 月 05 0 Ot2 0 c .0 5 ================================================== 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 8 2 湖 北 工 业 大 学 学 报 2 0 年第 5 期 05 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 3 分布函数作为内热源 [ ]. 2 实例计算 按上述模拟计算过程计算了尺寸为 1 0 mm× 6 材料为 2 号 钢) 8 mm 在 0 1 0mm×6mm 的平板( 6 5 宽处沿整个长度(6 进行表面堆焊时( 焊接速 1 0mm) 度为 5mm s 其温度 场、 力 场 的 整 个 动 态 变 化 过 /) 应 程. 由于是对称结构, 故只取一 半 进 行 分 析 . 2、 图 图 3 分别为焊接刚 开 始 图 ( ) 焊 接 过 程 中 图 ( ) 及 a, b 以 焊接结束时 图 ( ) 度 场、 力 场 的 整 个 动 态 变 化 应 c 温 图. 在 AN d 中, 于 焊 接 热 源 载 荷 可 采 用 热 流 对 S S 密度或生热率两种形式施加 . 对于表面堆焊问题, 忽 略熔覆金属的填充 作 用 时, 热 源 以 热 流 密 度 的 形 将 式施加, 可以得到较满意的计算结果 . 但对于开坡口 的焊缝或填角焊缝 等, 将 热 源 作 为 焊 缝 单 元 内 部 应 生热处理, 以生热率的形式施加, 同时考虑金属的填 充作用, 采用生死单元的方法, 逐步将填充焊缝转化 为“ 生单元” 参与计算中 . 施加移动的 焊 接 热 源 时, 利 用 AN d 自 带 可 S S 的 A D 语言 编 写 子 程 序, 用 循 环 语 句, 动 电 运 移 P L 弧中心坐标的方式来实现 . 焊接 应 力 场 的 计 算 中, 载 荷 是 温 度 场 的 计 算 其 结果, 施加载荷时, 读入热分析的节点温度并指定相 应的时间点或载 荷 步 即 可 . 是, 接 过 程 中, 池 但 焊 熔 区的金属处于熔化状态, 即进入零力学性能状态, 其 所有的应力应变将 消 失, 当 熔 池 由 液 体 转 变 为 固 而 体时, 进入无应变 历 史 的 初 始 状 态 . 此, 采 用 生 对 可 死单元的方法, 在每一步热应力计算时, 将对应的温 度场的计算结果进行选择, 超过熔点的单元令其“ 死 掉” 而低于熔点的单元将其“ , 激活” . 1. 结果查询 3 第 2 卷第 5 期 0 李冬林 基于 AN d 软件焊接温度场应力场模拟研究 SS 8 3 高温时材料的屈服极限和弹性模量是没有实际物理 意义的, 但由于模拟计算是基于弹塑性理论的, 这些 参数必须为非零值, 参数取得过小会导致收敛困难, 取得偏大又会影响结果的准确性 . 4 未来重点研究的问题 4. 单元技术的开发 1 焊接过程的特点是快速的局部加热和冷却及其 导致局部区域应力 应 变 的 急 剧 变 化 . 焊 接 过 程 的 在 模拟计算时, 焊缝附 近 的 单 元 并 非 在 焊 接 全 过 程 都 经历着复杂的温度 和 应 力 变 化, 只 是 在 很 短 的 时 而 间范围内经 历 了 这 种 变 化 . 此, 以 根 据 这 一 特 因 可 点, 利用 AN d 软件的二次开发功能, 开发出新型 S S 单元, 充分体现单元 在 大 部 分 时 间 内 求 解 量 保 持 相 对稳定的特点, 简化计算过程, 实现提高计算效率的 目的 . 4. 自适应网格技术的开发 2 虽然 AN d 软 件 有 自 适 应 网 格 技 术, 不 完 但 S S 善. 开发出适用于焊接模拟计算的自适应网格技术, 即将热源覆盖面及附近的单元网格按一定的误差准 则进行细化且随着 热 源 的 移 动, 化 网 格 也 跟 着 移 细 由图 3 可 见, 焊 接 温 度 场 和 应 力 场 的 动 态 变 其 化与实际基本一致, 说 明 本 文 所 提 出 的 模 拟 分 析 这 方法是切实可行的 . 然 文 中 的 实 例 分 析 只 是 较 小 虽 尺寸的薄板堆焊问 题, 只 要 存 储 空 间 和 计 算 机 内 但 存足够, 该分析方法可推广到各种尺寸规格、 各种接 头形式的焊接过程的计算分析中去 . 动. 这样就不必在整 个 焊 缝 长 度 上 都 得 将 网 格 划 分 得极其细小 . 以 大 大 减 少 自 由 度 数, 短 计 算 时 可 缩 间、 提高计算精度 . 4. 并行计算 3 并行计算是有限元中缩短计算时间的主要手段 之一 . 目前, S S 软件 6. 以 上 的 版 本 增 加 了 支 AN d 0 持并行计算的功能, 但是, 如何对计算