船體分段焊接變形仿真

1、 日期：2006年10月30日 資料來(lái)源：船舶工程2006.5. 船體分段焊接變形仿真 摘 要：船體分段在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接變形會(huì)使船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，然而精確預(yù)測(cè)和控制焊接變形是個(gè)難題。文章提供了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)焊接變形的固有應(yīng)變等效載荷法。這種方法運(yùn)用有限元法結(jié)合固有應(yīng)變理論以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)焊接變形進(jìn)行分析：引入簡(jiǎn)化的彈塑性分析桿彈簧模型，通過(guò)分析得到固有應(yīng)變受焊接區(qū)域約束度及最高溫度分布情況的影響；將固有應(yīng)變轉(zhuǎn)化為等效載荷，應(yīng)用彈性有限元分析求得整個(gè)結(jié)構(gòu)的焊接變形。計(jì)算結(jié)果與LEECH計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。 關(guān)鍵詞：船舶；焊接變形；等效載荷；固有應(yīng)變；最高溫度；約束度 固有應(yīng)力和固有應(yīng)型是日本學(xué)

2、者提出的概念，廣泛用于焊接殘余應(yīng)力、焊接變形的分析固有應(yīng)變是焊接過(guò)程中溫度上升時(shí)產(chǎn)生的壓縮性塑性應(yīng)變與溫度下降時(shí)產(chǎn)生的拉伸性塑性應(yīng)變之和根據(jù)固有應(yīng)變的方向性，焊接區(qū)域內(nèi)一點(diǎn)的固有應(yīng)變狀態(tài)由正應(yīng)變ex*、ey*、ez*和剪應(yīng)變xy*、xz*、xz*六個(gè)分量決定，在板件長(zhǎng)厚比很大的情況下，沿焊縫方向的ex*和垂直于焊縫方向的ey*兩個(gè)分量是最重要的，他們導(dǎo)致了最常見(jiàn)的焊接變形?？v向收縮、橫向收縮和角變形。 1 計(jì)算固有應(yīng)變的模型 為了求出縱向固有應(yīng)變ex*及橫向固有應(yīng)變ey*，需要一個(gè)能夠反映出焊接點(diǎn)附近出現(xiàn)的熱傳導(dǎo)及彈塑性過(guò)程特性的模型，本文采用桿-彈簧模型為熱彈-塑性分析模型。把產(chǎn)生固有應(yīng)變的

3、焊接區(qū)域內(nèi)的微元ds模型化為一個(gè)桿，抵抗變形的臨近區(qū)域模型化為一個(gè)彈簧，如圖1所示。 圖1中的kB和kS分別表示固有應(yīng)變區(qū)的剛度和抵抗變形的臨近區(qū)域的剛度，即模型上桿的剛度和彈簧的剛度圖1 焊接變形問(wèn)題的桿-彈簧模型 由下面的有限元熱彈塑性分析可知，經(jīng)歷溫度變化和彈塑性過(guò)程的焊接構(gòu)件上的固有應(yīng)變沿焊縫方向和在垂直于焊縫的截面內(nèi)不斷變化，不同的位置有不同的數(shù)值，最終的固有應(yīng)變分布由焊件上各處的最高溫度和反映焊接區(qū)域剛性的約束度決定。 2 焊件上的三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)和約束強(qiáng)度 影響焊接溫度場(chǎng)的焊接熱源主要參數(shù)是在焊接部位的熱輸入，取直流電弧焊移動(dòng)熱源，焊接電弧傳遞給焊接熔池的熱流密度q*近似于高斯正態(tài)

4、分布： 式中，為焊接熱效率；U為電弧電壓；I為電弧電流，k是表明熱源集中程度的系數(shù)；r為熱源內(nèi)某點(diǎn)與中心點(diǎn)的距離。根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律和熱傳導(dǎo)微分方程 式中，n為法線方向；l為熱導(dǎo)率：c為材料的質(zhì)量比熱容：為材料的密度；l為熱導(dǎo)率x軸沿焊縫方向；y軸垂直于焊縫方向；z軸沿板厚方向式(3)即滿足偏微分方程的瞬態(tài)溫度場(chǎng)。 當(dāng)研究對(duì)象為薄板時(shí)，沿板厚方向溫度分布可認(rèn)為是常數(shù)，則得到Rosenthal薄板解： 式中，k0為第二類零階修正貝塞耳函數(shù)；y為焊接速度：h為板厚；a為熱擴(kuò)散系數(shù)。 實(shí)際焊接時(shí)，材料內(nèi)部的溫度分布是不均勻的，材料內(nèi)部各點(diǎn)的最高溫度也會(huì)存在差異，各點(diǎn)在焊接過(guò)程中所達(dá)到的最高溫度值是

5、決定該點(diǎn)固有應(yīng)變的重要因素，本文采用有限元分析來(lái)求解3維瞬態(tài)溫度場(chǎng)，得到了整個(gè)焊接過(guò)程中各點(diǎn)的最高溫度分布情況。 對(duì)圖l所示的簡(jiǎn)化分析模型，焊件上各處的約束強(qiáng)度b由桿和彈簧的剛度決定： 3 固有應(yīng)變的分布圖2 塑性應(yīng)變隨溫度變化過(guò)程 隨著焊接熱源的移動(dòng)，焊件上各點(diǎn)所經(jīng)歷的應(yīng)變變化過(guò)程是不同的，各處塑性應(yīng)變隨溫度的變化如圖2所示兩個(gè)參考溫度分別設(shè)為溫度上升時(shí)產(chǎn)生壓縮屈服的溫度T1和溫度下降時(shí)產(chǎn)生拉伸屈服的溫度2T1，各位置固有應(yīng)變的計(jì)算可分成如下三個(gè)部分： 1)當(dāng)TMAX<T1時(shí) 最高溫度TMAX比壓縮屈服溫度低，塑性應(yīng)變隨溫度的變化情況由圖2中的O-A-O階段表示，桿處于彈性狀態(tài)，固有應(yīng)

6、變?yōu)?。 塑性應(yīng)變隨溫度的變化情況由圖1中的O-B-C-D階段表示溫度上升產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力在B點(diǎn)到達(dá)屈服，在B-C階段壓縮性塑性應(yīng)變?cè)黾釉跍囟认陆礐-D階段，拉申應(yīng)力增加，但不能達(dá)到屈服。此時(shí)固有應(yīng)變?yōu)樽罡邷囟葧r(shí)的塑性應(yīng)變。 式中，為材料的熱膨脹系數(shù)：ey為材料的屈服應(yīng)變，eMAXP為最大塑性應(yīng)變。 溫度上升過(guò)程中產(chǎn)生壓縮屈服，溫度下降過(guò)程中產(chǎn)生拉伸屈服此時(shí)的溫度變化過(guò)程由O-B-G-H-F表示，固有應(yīng)變等于在B-G階段和H-F階段產(chǎn)生的塑性應(yīng)變之和。 通過(guò)上面對(duì)桿彈簧模型的熱彈-塑性分析可知，知道了焊件上各點(diǎn)的最高溫度和約束度的分布，就能求出固有應(yīng)變分布4等效載荷的計(jì)算 對(duì)斷面內(nèi)分布的固有應(yīng)變

7、進(jìn)行積分即可求出等效載荷，等效載荷包括沿焊縫垂直方向沿板厚作用的橫向收縮力和沿板厚作用于焊縫兩端的縱向收縮力。圖3給出了橫剖面的有限元模型的網(wǎng)格劃分，橫向等效載荷沿板厚分層作用于焊道的焊角位置。圖3 橫向等效載荷計(jì)算 第i層的橫向載荷 第i層的縱向載荷 式中，Ay和Ax分別表示沿焊縫和垂直焊縫一個(gè)單元的剖面積：l表示沿y方向一層的長(zhǎng)度：L表示沿x方向焊縫長(zhǎng)度的一半；Ni表示一層中y方向單元的數(shù)量；Mi表示一層中x方向單元數(shù)量的一半；lyi和lxj分別表示一層中y方向和x方向第j單元的長(zhǎng)度e*yj之和e*xj分別表示一層中y方向和x方向第j單元的固有應(yīng)變。 將各層收縮力相加，可計(jì)算橫向等效力fy

8、和彎距my，縱向等效力fx和彎矩mx，其中fy和my沿焊縫施加，fx和my，作用在焊縫的兩端。 通過(guò)這樣的等效載荷計(jì)算，可對(duì)主要焊接變形量一橫向收縮、縱向收縮和角變形進(jìn)行考慮，即把這些等效載荷作用在結(jié)構(gòu)上，通過(guò)彈性有限元分析，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的變形此方法不用進(jìn)行焊接過(guò)程中產(chǎn)生的復(fù)雜的熱傳導(dǎo)及彈塑性分析，因此效率很高。 5船體分段焊接變形分析 選取如圖4所示模型，計(jì)算船體分段的變形船體分段中橫加筋板的位置x分別為l00mm，300mm，500mm面板尺寸為L(zhǎng)×B×H=600×400×16(mm)，橫向加筋板尺寸為400×100×8(mm)，縱

9、向加筋板尺寸為600×200×16(mm)焊接參數(shù)為：焊接電流1=300A，焊接電壓U=30V，焊接速度v=5mms。圖4計(jì)算模型 首先計(jì)算分段結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布，各加筋板的最高溫度分布沿垂直于焊縫的方向急劇變化，遠(yuǎn)離固有應(yīng)變區(qū)域的部分為室溫，如圖5所示，也就是各加筋板焊接區(qū)域的溫度場(chǎng)不會(huì)互相影響表1給出了本文計(jì)算結(jié)果與參考文獻(xiàn)結(jié)果的比較。圖5 橫剖面最高溫度分布表1 加筋板角接焊最高溫度的比較結(jié)合約束度計(jì)算得到船體分段固有應(yīng)變的分布，其中各橫剖面的最大固有應(yīng)變與他人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較如表2所示。表2 各橫剖面最大固有應(yīng)變 利用固有應(yīng)變等效載荷法得出的船體分段焊接變形如圖6所示，分段的橫向收縮量（y向)，垂向位移(z向)和縱向收縮量(x向)分別見(jiàn)圖7、圖8和圖9表1和表2說(shuō)明了本文等效載荷法的準(zhǔn)確性。計(jì)算得分段的橫向收縮量為1.6mm，縱向收縮量為1.2mm。最大垂向位移為2.8mm，發(fā)生在分段的兩端，表明分段的平面外角變形較大。圖 6船體分段焊后變形圖7 船體分段橫向收縮量圖8 船體分段橫向收縮量圖9 船體分段縱向收縮量6 結(jié)束語(yǔ) 實(shí)際船體結(jié)構(gòu)的焊接變形非常復(fù)雜，無(wú)法進(jìn)行整