T型接頭焊接溫度場(chǎng)的有限元模擬

1、 文章編號(hào):1008-3812(2004 04-0041-03T 型接頭焊接溫度場(chǎng)的有限元模擬韓海玲趙波李茂福(遼寧省交通高等?？茖W(xué)校, 遼寧沈陽(yáng)110122摘要本文基于通用商業(yè)有限元軟件ANSYS , 對(duì)T 型接頭溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析, 從而得出了與經(jīng)典理論相符合的結(jié)果。關(guān)鍵詞焊接溫度場(chǎng)有限元模擬分析中圖分類號(hào):TG 40文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B1問(wèn)題的提出目前的計(jì)算機(jī)仿真主要集中在一些小的或簡(jiǎn)單的薄板結(jié)構(gòu), 再者大型構(gòu)件焊接過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真往往采用解析法、二維有限元模擬或需要與試驗(yàn)相結(jié)合進(jìn)行數(shù)值模擬的方法, 而對(duì)大型構(gòu)件的三維有限元模擬論述較少。本論文就對(duì)T 型接頭的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。2理論依據(jù)

2、對(duì)于任何一種固體材料, 假定其求解域V R 3, 則V 內(nèi)任何一點(diǎn)的瞬態(tài)溫度T (x ,y ,z ,t 應(yīng)滿足如下微分方程1:c t =x (x +y (t 0(1. 1式中Q (x ,y ,z ,t V 中的內(nèi)熱源強(qiáng)度, 為導(dǎo)熱系數(shù), 和c 分別為材料的密度和比熱。3焊接溫度場(chǎng)的簡(jiǎn)化收稿日期:2004-10-21作者簡(jiǎn)介:韓海玲, 畢業(yè)于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué), 碩士, 講師。趙波, 畢業(yè)于沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué), 碩士, 教授。李茂福, 畢業(yè)于西安公路學(xué)院, 教授。3. 1熔化極的選取為了精確的模擬熱源, 本文采用熔化極焊接, 由于多道焊, 所以可采用“生死”單元來(lái)模擬。ANSYS 中單元生死起作用并不是將殺

3、死的單元從模型中刪掉, 而是將剛度(或傳導(dǎo), 2,4。所以, “死”、比熱、彈性模量等效果都“生死”的原理, (傳導(dǎo)系數(shù)和比, 這樣將不影響溫度場(chǎng)的計(jì)算 。在高溫, 因?yàn)槎x的彈性模量和屈服極限較小, 所以熔化區(qū)域的應(yīng)力很小, 它對(duì)整個(gè)焊接應(yīng)力場(chǎng)的模擬影響很小。3. 2熱源的選取然而對(duì)于有坡口的焊縫或填角焊縫, 上述的熱源模型難以適用, 此時(shí)通常假定熱量均勻施加在焊縫單元上, 作內(nèi)部熱源處理。由于焊縫是隨著電弧的移動(dòng)逐步填充上去的, 尚未填充部分的單元假定為虛單元。在虛單元中給以極小的導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)值, 直至填充焊縫轉(zhuǎn)化為實(shí)單元時(shí)為止。33. 3熱源的移動(dòng)沿焊接方向以L 為長(zhǎng)度等分焊縫為n 段,

4、在各段的后點(diǎn)強(qiáng)度?；貜棌澇翙z測(cè)面廣, 對(duì)同種材料而言, 壓實(shí)度越高, 回彈彎沉值越小, 故它能較全面地反映施工的壓實(shí)質(zhì)量。所以, 必須重視這兩項(xiàng)目在控制和評(píng)定施工質(zhì)量中的作用?？傊? 按上述步驟進(jìn)行各項(xiàng)目的檢查和評(píng)定就能較全面、客觀地評(píng)價(jià)基層和底基層的質(zhì)量。參考文獻(xiàn)1中華人民共和國(guó)交通部. J TJ034-2000公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范M 北京, 人民交通出版社,20022中華人民共和國(guó)交通部. J TJ033-95公路路基施工技術(shù)規(guī)范M 北京, 人民交通出版社,19963徐培華, 陳忠達(dá). 路基路面試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)M . 北京:人民交通出版社,20004陸鼎中, 程家駒. 路基路面工程M .

5、上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1995Discuss Lightly that the Cement Stabilizes the Quality Inspection ofthe Soil Basic Unit and Bottom Basic Unit and EvaluatesZhou Y e Zhang XincaiAbstract This text simply analyses the quality inspection that the cement stabilizes the soil basic unit and bottom basic unit and e 2valuate

6、s the method , combine reality , convenient and swift , offers reference for examining and evaluating actually. K eyw ords Cement Stabilized ; S oil ; Base ; Subbase ; Fine Grain14第6卷第4期2004年12月遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)JOURNAL OF L IAONIN G PROVINCIAL COLL EGE OF COMMUNICATIONSVol. 6No. 4Dec . 2004 依次加載內(nèi)部熱源各L/v

7、 時(shí)間, 當(dāng)下一個(gè)點(diǎn)加載開(kāi)始時(shí), 消除上一次所加的熱生成率, 上一次加載所得的溫度場(chǎng)為下一次加載的初始條件。每次加載唯一一個(gè)時(shí)間步, 如此依次在各點(diǎn)加載可模擬移動(dòng)焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)。這一過(guò)程可以通過(guò)ANSYS 參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL 定義循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。43. 4模型網(wǎng)格的劃分和載荷步的選擇對(duì)于三維問(wèn)題, 過(guò)小的時(shí)間步長(zhǎng)和過(guò)密的網(wǎng)格勢(shì)必需要很大的計(jì)算機(jī)容量和長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。要獲得一個(gè)良好的瞬態(tài)焊接溫度場(chǎng), 焊縫處的單元網(wǎng)格最好能在2mm 左右。所以本文在焊接方向的單元是2mm 長(zhǎng), 每次熱源都是加載在2mm 長(zhǎng)的焊縫的整個(gè)截面上。33. 5熱物理參數(shù)的處理在分析焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)的過(guò)程中, 材料的熱物理性能

8、參數(shù)隨溫度變化, 材料的熱物理性能參數(shù)隨溫度變化, 是非線性的, 主要參數(shù)有:導(dǎo)熱系數(shù), 密度, 容積比熱c 。這里的熱物理性能參數(shù)處理采用插值:給出有代表性的幾個(gè)溫度下的值, 其余溫度下的值由ANSYS 按線性插值求得。至于鋼材熔化時(shí), 由固態(tài)變成液態(tài), 要吸收能量, 反之熔池凝固時(shí)由液態(tài)變成固態(tài), 要放熱, 所以要考慮熔池相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響。對(duì)此的處理通常采取的方法有修正比熱法 、熱焓法和溫度回升法。本文利用等效比熱法。 4T 型接頭焊接結(jié)構(gòu)的模擬4. 1 模型T 型接頭試件的尺寸為:, 為:200×50×6mm , , 45°的坡口,x 方向?yàn)楹缚p方向近

9、, 所以離焊縫較近的區(qū)域網(wǎng)格劃分細(xì)一些。熱分析單元選擇三維八節(jié)點(diǎn)六面體單元SOL ID70, 單元數(shù)20604, 節(jié)點(diǎn)數(shù)25957, 計(jì)算時(shí)間為8小時(shí)左右。網(wǎng)格劃分如圖1、2:4. 2熱源功率圖1T 型接頭有限元網(wǎng)格劃分焊接電流I 為150A , 電弧電壓U 為24V , 焊接速度V 為10mm/s , 焊接效率取0. 751。焊接熱源按內(nèi)部熱源移動(dòng)生熱率BF 處理。那么熱源功率的計(jì)算公式有:q=U I =243150×0. 75=2700(W 。由于焊縫區(qū)一層不能焊透, 所以采用兩層焊接。焊縫區(qū)如圖4. 2所示。焊縫的第一層的橫截面積是S =1/2×0. 001×

10、;0. 001+1/2×0. 008×0. 0038=0. 0000157(m 2 , 所以焊縫每個(gè)單元的體積V =0. 0000157×0. 002=0. 0000000314(m 3 , 所以BF =q/V =2700/0. 0000000314=8. 6×1010(W/m 3 , 第二層的焊縫的橫截面積和第一層的不一樣大小, 本文考慮到焊接第一層時(shí)沒(méi)有預(yù)熱, 而在焊接第二層的時(shí)候沒(méi)有冷卻就開(kāi)始焊接, 所以相當(dāng)于焊接第二層時(shí)已經(jīng)預(yù)熱了, 所以第二層的生熱率和第一層的取相同的值。圖2焊縫區(qū)示意圖4. 3材料的熱物理性能材料熱物理性能參數(shù)2如表1所示。表

11、1材料熱物理性能參數(shù)溫度T/30040050012002500/w 1-16142. 338. 93030-37800780078007800780078007800比熱-14504694815365697007004. 焊接溫度場(chǎng)的結(jié)果(a 24s 時(shí)的焊接溫度場(chǎng)(b 28s 時(shí)的焊接溫度場(chǎng)(c 32時(shí)的焊接溫度場(chǎng)24遼寧省交通高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)2004年 (d 36s 時(shí)的焊接溫度場(chǎng)(e 1000s 時(shí)的焊接溫度場(chǎng)圖3焊接過(guò)程溫度場(chǎng)(單位:由圖3可以很清楚的看到焊接溫度場(chǎng)隨熱源移動(dòng)以及冷卻一段時(shí)間溫度場(chǎng)的變化過(guò)程。4. 5焊接溫度場(chǎng)結(jié)果分析4. 5. 1移動(dòng)熱源不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布下面是ANS

12、YS 計(jì)算得出的結(jié)果:曲線140是28s 曲線150是30s 曲線160是32s 圖4移動(dòng)熱源不同時(shí)刻溫度分布曲線從圖中可以看出, 焊接溫度場(chǎng)基本上呈準(zhǔn)穩(wěn)態(tài), 得出了基本符合經(jīng)典理論的結(jié)果1。4. 5. 2溫度場(chǎng)模擬的數(shù)據(jù)焊接過(guò)程中, 各點(diǎn)的溫度變化十分不均勻, 近焊縫區(qū), 溫度變化比較快, 而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)各點(diǎn)溫度變化比較慢。圖5為選取離焊縫0mm 、8. 5mm 、17mm 、25. 5mm 、34mm 、42. 5mm 在T 型接頭翼板上各點(diǎn)1至6。圖6為1至6各點(diǎn)在不同時(shí)刻(32s 、34s 、36s 的溫度變化。其中曲線1表示32s 時(shí)溫度變化;2代表34s 時(shí)溫度變化;3代表36s 時(shí)

13、溫度變化 。圖5選取焊件上的各點(diǎn)圖7是1至6各點(diǎn)的熱循環(huán)曲線, 該圖顯示, 焊接過(guò)程中熱源沿焊件移動(dòng)時(shí), 焊件上某點(diǎn)溫度由低而高, 達(dá)到最高值后, 又由高而低, 隨時(shí)間而變化; 各點(diǎn)的升溫速度明顯地比冷卻速度要大; 冷卻時(shí), 各點(diǎn)溫度逐漸趨于某一值, 即降到焊件的平均溫度為止 。 圖7焊件上各點(diǎn)的熱循環(huán)5結(jié)束語(yǔ)本論文對(duì)T 型接頭焊接熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力模擬進(jìn)行研究, 主要解決以下問(wèn)題:模擬焊接熱源以及焊接熱源的移動(dòng)問(wèn)題; 材料性能隨溫度變化問(wèn)題, 即材料非線性問(wèn)題; 用“生死”單元模擬焊接的熔敷過(guò)程難收斂的問(wèn)題。參考文獻(xiàn)1拉達(dá)尹著, 熊第京等譯. 接熱效應(yīng)溫度場(chǎng)殘余應(yīng)力變形. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社

14、,1997. 32512黎江. 三維焊接熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力演化虛擬分析技術(shù)研究. 碩士學(xué)位論文. 廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文,2002. 42523汪建華, 戚新海, 鐘小敏. 三維瞬態(tài)焊接溫度場(chǎng)的有限元模擬. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào), 第30卷,1996,3. 1201254譚建國(guó)編著. 使用ANSYS6. 0進(jìn)行有限元分析. 北京:北京出版社,2002An Analysis of Simulation of Welding Temperature in the T -jointHan Hailing Zhao Bo Li MaofuAbstract In this paper ,the welding temperature of