T形接头焊接温度场的三维数值模拟

Welding Technology Vol.37No. 6Dec . 2008T 形接头焊接温度场的三维数值模拟熊震宇 1, 董洁 2(南昌航空大学材料科学与工程学院 , 江西南昌 330063摘要 :利用有限元分析软件 ANSYS , 对 T 形接头焊接的温度场的分布进行了动态模拟 , 提出高斯函数和双椭球函数相结合的双热源模型。

并应用 APDL 语言实现了焊接全过程温度场的三维动态模拟 , 其结果与理论值完全吻合 , 证明了数值模拟的可靠性。

关键词 :T 形接头 ; 焊接 ; 数值模拟 ; APDL ; 温度场中图分类号 :TG445文献标识码 :B文章编号 :1002-025X (200806-0021-03焊接热过程数值模拟是焊接数值模拟的一个主要方面 , 它把焊接学科与计算机技术结合在一起 , 为定量地研究焊接冶金起到积极的推动作用 [1]。

ANSYS 软件是以有限元分析为基础的大型通用 CAE 软件 , 其强大的热结构耦合及瞬态、非线性分析能力使其在焊接模拟技术中具有广阔的应用前景 [2]。

本文研究利用 ANSYS 软件的参数化程序语言 APDL 编制了焊接过程三维瞬态温度场模拟分析程序 , 并以 T 形接头埋弧焊为例给出了具体分析过程 , 计算结果与理论结果比较吻合。

1有限元模型的建立本文所选用的模型为 :腹板尺寸 60mm ×16mm ×100mm , 翼板尺寸 100mm×20mm ×100mm , 材料为 Q345。

T 形接头模型如图 1所示。

为了描述 T 形接头三维焊接温度场的分布 , 热分析单元中选取单元 SOLID87, 在加热圆弧面上生成无中间节点的三维 4节点弧形的表面效应单元SURF152。

如图 2所示 , 在焊缝区域及近缝区采用细网格 , 而远离焊缝区采用较粗的网格。

热源沿着 T 形接头 z 轴的方向匀速移动。

1.1热源模型焊接热源具有局部集中、瞬时和快速移动的特点 , 在时间和空间域内都易形成梯度很大的不均匀温度场是进行焊接力学分析的基础 , 而焊接温度场模型的精确性依赖于热源模型的精度 , 因而建立一个合适的焊接热源模型是焊接模拟过程中的重要部分。

基于 T 形接头的埋弧焊工艺 , 采用高斯分布的热源函数作为表面热源 , 焊件熔池部分采用双椭球形热源分布函数作为内热源。

(1 高斯函数分布的热源q (r =q m exp -3r 222, (1 m;图 1T 形接头模型图 2T 形接头有限元网格划分xyz·试验与研究 ·21焊接技术第 37卷第 6期 2008年 12月有效加热半径 ; r 为离电弧加热斑点中心的距离。

(2 双椭球形热源用椭球形热源分布函数计算时发现在椭球前半部分温度梯度不像实际中那样陡变 , 而椭球的后半部分温度梯度分布较缓。

为克服这个缺点 , 提出了双椭球形热源模型 , 这种模型将前半部分作为一个 1/4椭球 , 后半部分作为另一个 1/4椭球。

设前半部分椭球能量分数为 f 1, 后半部分椭球能量分数为 f 2, 且 f 1+f 2=2, 则在前半部分椭球内热源分布为 :q (r =6f 1Q exp -3x 22+y 22+z 22222, (2在后半部分椭球内热源分布为q (r =π3/2abc exp -3x 22+y 22+z 22222, (3此二式中的 a , b , c 可取不同的值 , 它们相互独立。

在焊接不同材质时可将双椭球分成 4个 1/8的椭球瓣 , 每个可对应不同的 a , b , c 值。

1.2定义材料属性由于温度场的计算属于非线性瞬态传热问题 , 需给定 Q345材料的热物理性能参数 , 见表 1[3]。

1.3模型假设 [4, 5](1 材料为各向同性 ;(2 忽略金属的填充熔敷作用 ;(3 工件的所有外边界仅与空气发生对流换热 ,将辐射换热的影响考虑到对流换热中 ;(4 忽略熔池内部的化学反应和搅拌、对流等现象。

1.4“ 生死” 单元技术在 T 形板焊接过程中 , 焊接材料不断填充而形成焊缝 , 这一过程可以通过 ANSYS 中“ 生死” 单元技术生动体现。

首先将焊缝部分的有限元单元设置为“ 死” 状态 , 即这部分单元的刚度矩阵乘以一个微小 ; , 部分的单元“ 激活” 即可。

值得注意的是 , 在ANSYS 中所有的单元只能在 /prep7中完成 , 因此 ,焊缝部分的单元也需要在 /prep7中生成 , 而不能在运用“ 生死” 单元技术的时候凭空产生。

1.5焊接热源的处理与施加由于加热电弧是移动的 , 对于移动的实现 , 利用 ANSYS 的 APDL 语言编写子程序 , 采用离散的思想 , 进行多步循环来实现具体思路如下 :沿焊接方向将焊缝长度 L 等分为 N 段 , 将各段的后点作为热源中心 , 在以电弧中心为圆心 , 半径小于电弧有效加热半径的区域内加载热源 , 每段加载后进行计算 , 计算时间为 L/V, 每一段的计算为一载荷步。

当进行下一段加载(即下一载荷步计算时 , 需消除上一段所加的高斯热流密度 , 而且上一次加载计算得到的各点温度值作为下一段加载的初始条件。

如此依次在各点加载即可模拟热源的移动 , 实现移动焊接瞬态温度场的计算。

2焊接温度场的数值模拟结果及分析利用 ANSYS 软件强大的热分析功能 , 按上述的有限元模型进行了 T 形接头焊接温度场的三维动态数值模拟。

在模拟计算时 , 采用的焊接工艺及相关计算参数见表 2。

随着焊接热源的向前移动 , 熔池随之移动 , 温度场的分布也发生变化 , 当热源移动到 T 形接头中间部分 , 电弧作用区域附近的温度场分布基本稳定 , 与准稳态分布相近。

如图 3b 所示 , 温度云图上的等温线形状呈现为以焊接方向为长轴的 1/4近似椭圆 , 焊接热源前方等温线密集 , 温度梯度大 , 后方等温线稀疏 , 温度梯度小。

T 形板动态温度场模拟过程如图 3所示 , T 形板冷却过程温度场分布如图 4所示。

图 5中 , 从 T 形接头腹板某截面处取4个点 , 它们的位置分别是 1. 距焊缝中心 ; 2. 距焊缝中心 4mm ; 3. 距焊缝中心 8mm ; 4. 距焊缝中心。

温度 /℃弹性模量/GPaσs /MPa切变模量/GPa密度/(kg ·m -3 线胀系数 ×10-6/K泊松比μ热导率/[W·(m ·K -1]比热容/[J·(kg ·k -1]2021233021.2786014.80.293498350017521317.5786014.80.293498380013915313. 9786014.80.293498312001077310.7786014.80.2934983150083138.3786014.80.2934983 20006125.9786014.80.2934983表 1Q345材料的热物理性能表 2焊接工艺及相关计算参数电弧电压U /V焊接电流I /A焊接速度 V /(mm ·s -1焊接热效率η电弧有效加热半径R /mm3650070.86·试验与研究 ·22Welding Technology Vol.37No. 6Dec . 2008从热循环曲线分布图 6可以看出 , 在焊缝中心处 , 当焊接热源移动到该截面时 , 焊缝中心的温度急剧上升 , 而由于热传导的缘故 , 距离焊缝中心越远处 , 温度逐步降低。

冷却时 , 各点温度逐渐趋于某一值 , 即降到焊件的平均温度为止。

3结论(1 在 T 形接头焊接过程有限元分析过程中 , 注意采用合理的网格大小 , 从而合理控制有限元计算量和结果的精度。

(2 针对 T 形接头埋弧焊工艺 , 利用 ANSYS 平台进行有限元分析时提出以高斯分布的热源函数作为表面热源 , 焊件熔池部分采用双椭球形热源作为内热源的双热源相结合的方式 , 采用“ 生死” 单元方法得出的计算结果与理论结果最为接近。

参考文献 :[1]李冬林 . 基于 ANSYS 软件焊接温度场应力场模拟研究 [J ]. 湖北工业大学学报 , 2005, 20(5:81-84.[2]刘兴龙 , 曲仕尧 . 基于 ANSYS 的焊接过程有限元模拟 [J ]. 电焊机 , 2007, 35(7:41-44. [3]严浩 . 钢结构厚板焊接残余应力实验研究与有限元分析 [D ]. 湖北武汉 :武汉理工大学 , 2006, 11.[4]韩海玲 , 董晓强 . 丁字接头的温度场和应力场的有限元模拟 [J ]. 沈阳工业大学学报 , 2004, 26(5:511-513.[5]陈翠欣 , 李午申 , 王庆鹏 , 等 . 焊接温度场的三维动态有限元模拟 [J ]. , , 51(5:(a t =0.667s 温度场分布(c t =16s 温度场分布(b t =6.67s 温度场分布图 3T 形板动态温度场模拟过程图 4T 形板冷却过程温度场分布(a t=20s 温度场分布(b t =36s 温度场分布 (c t =100s 温度场分布xy zxyzxy z图 5距焊缝中心测点位置示意图xy z·试验与研究 ·图 6 2000180016001400120010008006004002000 温度1234TIME010010203040506070809023。