计算机模拟仿真在特厚板多成多道焊领域的应用

1、 计算机模拟仿真在特厚板多成多道焊领域的应用引言：计算机仿真技术是以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1 7 7 3 年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的

2、要求；到了70年代模拟数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。Marc.mentat就是一款计算机模拟仿真软件，它能够很好的解决现实生活中不能解决的问题，这对于现实生活，具有重要意义，下面就通过实际的案例，展现该软件的强大实用性。简介：厚板焊接残余应力场的影响因素众多，变化复杂，其应力分布模型的研究是此领域的难点之一。厚板焊接多应用于复杂结构中，在焊接制造过程中，

3、由于焊接热循环的存在，不可避免地会产生焊接残余应力和变形。开展焊接过程温度场和焊接热应力场的数值模拟研究，为控制、调整和减少焊接残余应力提供理论依据，具有重要的学术价值和实际应用意义。有关的试验样本尚不多见。以两块100 mm 的厚板焊接为研究对象，试验模型材质为A105 钢，采用埋弧焊，进行多道焊接。采用试验测量和MSC.Marc 有限元模拟相结合的方法，对100 mm 特厚板多层多道焊的残余应力进行对比分析研究，给出上表面横向残余应力和纵向残余应力以及厚度方向残余应力的分布曲线。有限元计算结果与试验测量结果吻合较好，证明该有限元模型的合理性。特别地，厚度方向残余应力可以通过有限元模型计算得

4、出，解决了实际工程中厚板内部应力难得出的问题，为进一步研究特厚板焊接残余应力提供参考依据。问题:焊接残余应力是引起裂纹、导致接头强度和韧性下降的重要原因。为了了解焊接结构中残余应力的大小和分布，多年来不少专家学者做了大量的试验和研究工作。1992年SHIM 和FENG 等开发了* 高等学校学科创新引智计划资助项目(B08031)。20101229 收到初稿，20110606 收到修改稿厚板上多道焊接过程的残余应力沿厚度上分布的模型。1999 年澳大利亚的FREWIN 等。对激光脉冲焊接进行了有限元分析，提出了激光脉冲定位焊的三维模型。2003 VEIGA 等研究了补焊中残余应力场的演变，200

5、4 年韩国的CHO 等采用了有限元模拟和试相结合的方法，对多道焊的残余应力场和焊后热处理进行了研究。国内对厚板焊接的温度场和残余应力场也有研究，然而部分是局限于有限元数值模拟而没有试验数据的验证，部分是通过试验和数值模拟相结合的方法来进行研究。由于厚板焊接过程中的不确定性，对残余应力分布模型和分布拟合的研究仍然是此领域的难点之一。钢结构厚板焊接往往采用多层多道焊和窄间隙剖口，焊后残余应力的分布一直以来受到国内外很多学者的关注。多层多道焊是许多单层热循环的交替作用，相邻焊层之间彼此具有热处理作用，因此其最终温度场和残余应力场较单道焊复杂得多，因此具有很高的研究价值。另外，厚板焊接后厚度方向的残余

6、应力不能忽视，得出厚度方向应力的分布规律也具有研究意义。方案：本文采用现场试验和数值模拟相结合的方法来进行分析研究。测量方法上，使用X-350AL 型X射线应力测定仪，对焊件上表面残余应力进行测试，测量设备 使用FL IR 公司S65型红外热像仪对焊接过程中形成的温度场进行实时测量。它具有测温速度快、灵敏度高、对被测温度场无干扰、热惰性误差小和能远距离测温等优点, 适合于实时检测, 同时能克服接触测量焊缝中心处温度困难的不足。数值计算上，使用marc.mentat2007对焊接过程进行模拟。计算结果与试验测量结果吻合较好，证明该有限元模型的有效性。从模型计算结果中给出沿厚度方向的残余应力的分布

7、曲线，发现其分布符合抛物线形式。对于厚度方向的应力，提出了从计算模型中得出的方法，为进一步研究厚板多层多道焊的应力分布状态提供参考依据。实验材料：本文试验所使用的材料是苏州纽威集团生产的A105 阀门用钢，其材料化学成分和力学性能分别见表1 和表2。焊接方法: 采用CO2焊, 焊丝直径为1. 2 mm, 保护气体为CO2, 流量为12 L /m in。焊接参数，见表3.焊接工艺：两试件采用60%V型坡口,由于是多道焊，在模型的简化上不能 进行对称处理，所以建立的有限元模型是整个焊接构件。在实际焊接过程中存在着焊缝填加金属与基体之间、后填加的金属与先填加的金属之间的相互熔化题。有限元分析的理论基

8、础及模型的建立题，这在有限元计算中实现比较困难，所以为了简化模型将焊缝的几何模型近似处理为规则形状。考虑到余高的存在，将第三层焊缝的每一道的上表面处理为一个较小的弧面。残余应力测量本次试验选用的测量仪器为X-350AL 型X 射线应力测定仪，采用铬靶的K 射线，衍射晶面选用(211)面，应力常数K=-318 MPa/( )。测量时选用固定0 法，设定0 和35 两个入射角0 ，衍射角2 设定为151 162 ，2 扫描步距为0.1 ，扫描时为0.5 s。每个测点测量两个方向的主应力，即平行于焊缝方向的纵向应力y 和垂直于焊缝方向的横向应力x ，每个主应力测量7 次，去掉最大值和最小值后，取其平

9、均值作为该测点的主应力Marc 有限元模型计算模型：采用Marc 前处理器Mentat 建立对接焊有限元模型，先用四边形网格划分器对焊缝横截面进行划分，然后使用网格扩展功能，将平面网格扩展成为实体单元。扩展时，设置y 向移动距离为0.005 25 m，扩展次数为32 次。实体网格单元选用8 节点的六面体降阶积分单元，单元号为117。选用MSC.Marc 新增的焊接路径和焊缝金属填充功能模块来模拟焊接过程。定义焊接路径时为了防止焊接产生过大的变形，故选用交替变换的焊接路径形式。焊缝金属逐步填充选用单元生死方法，并且设置金属熔点温度为1 200。通常Marc 计算焊接温度场和应力场，有两种处理方法

10、，一种是先进行热传导分析，得到焊接过程中焊件的温度场分布，再将求得的节点温度作为载荷施加在应力分析的相同几何模型上；另一种是直接进行耦合分析，此时采用的单元具有温度和位移两种自由度，分析计算完成后同时得到温度场和应力场的分布。本文对计算模型使用第二种方法，即热力耦合分析法。网格划分：焊接过程是一个不均匀加热的过程, 在焊缝处温度梯度变化很大。划分网格时采用的是不均匀网格划分, 在焊缝及其附近的部分用加密的网格, 在远离焊缝的区域, 温度分布梯度变化相对较小, 细节可以忽略焊接热源模型在计算焊接温度场过程中焊接热源模 式的选择是计算结果是否合理的重要因素，传热学中常用的热源模式有Rosontha

11、l的解析模式、高斯热源、半球状热源、椭球形热源、双椭球形热源等。焊接热源选用MSC.Marc2007 焊接模块中缺省的Goldark 双椭球体热源，非常适用于开剖口或大熔深的焊缝，在焊接时，因为热源是随着时间的变化在工件表面移动的，所以温度场是一个随时间变化的函数，其热源分布形式如下前半部分椭球热源表达式为qx,y,z,t=63Qf1abc1exp-3x2a2+y2b2+z-vtc12后半部分椭球热源表达式为qx,y,z,t=63Qf2abc2exp-3x2a2+y2b2+z-vtc22式中， f1、 f2为热流密度分布系数，Q为输入的热功率，v 为焊接速度，a、b、c1、c2为定义椭球形状的

12、参数。参数设置取 f1 = f2 = 0.7，v = 3.5mm/s，a = 5mm，b = 3mm，c1 = c2 = 2 mm，111 道焊输入热功率Q = 5 080W，1220 道焊Q = 5 520 W，2142 道焊Q = 8100 W，第 43 道焊Q =11100W。每一道焊缝的划分网格情况第一道 第二道第三道第四道第五道第六道计算工况：模拟计算过程分为44 个载荷工况，其中前43个是焊接工况，最后一个是冷却工况。每个焊接工况焊接时间为48 s，分32 个载荷步，冷却工况为100 s，分50 个载荷步。为了兼顾计算效率和计算精度，划分温度区间并设置不同的增量控制准则。在相变温度

13、附近，每个增量步始末温度变化容许值设置得相对较小，以便更好地考虑相变潜热的影响。为了避免集中热源突然作用于模型时产生热振荡，在计算时采用集中质量矩阵和集中热源矩阵，同时激活大位移大应变塑性分析选项。上表面残余应力计算值与测量值在结果显示栏中分别选择Comp 11 of stress(x方向主应力)、Comp 22 of stress(y 方向主应力)，代表着垂直焊缝方向的横向主应力x 和平行焊缝方向的纵向主应力y 。选择变量路径显示方法，可以使横向残余应力和纵向残余应力沿指定路径显示。对照试验测点的坐标位置，提取出单元节点上的应力值，绘制成曲线，并与试验测量结果对比。图 6 为平行焊缝方向x

14、= 0和x = 30处横向残余应力的模拟值与测量值。由图6 可以看出，数值模拟的结果能比较好地与试验结果相对应，平行焊缝方向中段处应力高于两端，且焊缝中心x = 0处中段处应力在一定范围内变化很小，与实测结果有点差异。焊缝附近的区域残余应力都为拉应力，与实际测量情况相符。计算结果还显示，端部处应力变化幅度要比中段处的大。图 7 显示的是垂直焊缝方向 y = 40和 y = 10上各测点横向残余应力模拟值与测量值。由计算结果可以看出，垂直焊缝方向各线上横向残余应力的模拟计算值以焊缝为中心对称分布，应力最大值不在焊缝中心处，而是在偏离焊缝中心10 mm 的两端，与试验实测结果相仿。应力变化呈现出拉

15、到压的变化趋势，焊缝附近左右两端40 mm 的区域都为拉应力，随着离焊缝距离的增加，应力逐渐变小并转变为压应力，在70mm 处存在最大压应力，随后压应力逐渐变小，并最终趋于0。图8为平行焊缝方向x = 0和x = 50处纵向应力模拟值与测量值。由图8 可以看出，平行焊缝方向纵向应力的模拟值与测量值吻合较好。同样的，x = 0和x = 50处中段处应力高于两端，焊缝中心处纵向应力都是拉应力，x = 50上应力模拟值基本都是压应力。另外，平行焊缝方向各线上纵向应力在端部处均趋于0。图 9 为垂直焊缝方向 y = 0和 y = 80上各测点纵向残余应力模拟值与测量值。由图9 可以看出两者吻合较好，垂

16、直焊缝方向纵向残余应力模拟计算值也是以焊缝为中心对称分布。总体上，应力呈现拉压拉的变化趋势，靠近焊缝中心很窄的区域为拉应力区，随着离焊缝距离的增加，应力逐渐变为压应力，直至最大压应力处又开始逐渐转变为拉应力，在末端处，拉应力最后趋于0。模拟计算的分布曲线在x = 100处还存在一个拉应力峰值，与实际测量的x =100处存在一个拉应力峰值吻合。厚度方向残余应力在SCALAR 栏中选择Comp 33 of stress(z 方向主应力)，将会显示出单元沿厚度方向的残余应力z 。选择焊缝中心处 x = 0, y = 0； x = 0, y = 80；x = 0, y = 25三条沿厚度方向的直线，每

17、隔 10 mm读取单元节点上的应力值，绘制成如图10 所示的曲线。图 10由图10 可以看出，厚度方向的残余应力z 基本以压应力为主，且呈抛物线形式分布。焊缝处中间区域( y = 0， y = 25 )厚度方向的应力 z 的分布曲线类似，在上表面与下表面处，均存在较小的拉应力，随着厚度的增加，应力逐渐转变为压应力。在厚度方向中间处应力绝对值大于上下表面的应力，在距上表面30 mm 处和距下表面20 mm 处出现两个压应力峰值。焊缝处端部附近( y = 80 )厚度方向应力z 与中间处略有不同，在距上表面10 mm处存在一个拉应力峰值，距下表面30 mm 处存在一个压应力峰值。另外可以看出，厚度

18、方向的残余应力z 最大值均小于上表面处的横向应力和纵向应力的最大值，焊缝端部处厚度方向的应力小于焊缝中段处厚度方向的应力，说明端部处的应力释放较中段处快。造成上述误差的因素有三个:第一是热物理参数造成的误差, 由于热物理参数的测量比较困难, 公式中推导得出的是理论值, 和实际值有所差别,第二是因为本文在模拟过程中, 为了简化模型, 做了一些简化假设造成误差;第三是热像仪的因素, 虽然红外热像仪精度高, 误差小, 但是在焊接过程中, 电弧的弧光会对红外热像仪的测量精度产生影响。结论(1) 焊缝区为拉应力区，存在较大的拉应力，最大残余拉应力出现在焊缝中心和靠近焊缝熔合线的地方。平行焊缝方向各线上中

19、段处的残余应力高于两端，垂直焊缝方向各线上横向和纵向残余应力呈对称分布，横向应力呈现拉压的变化，纵向应力呈现拉压拉的变化。垂直焊缝方向各线上的纵向应力的拉应力区( 15 mm)小于横向应力的拉应力区( 40mm)。(2) 沿厚度方向的残余应力z 基本为压应力，且呈抛物线的分布形式，在距上表面1030 mm 处存在一个应力峰值，在距下表面2030 mm 处存在另一应力峰值。z 的应力最大值均小于上表面横向应力和纵向应力的最大值。(3) 实测的焊接残余应力都没有达到材料的屈服强度，说明特厚板对接焊接时，采用窄间隙U 形坡口和多层多道焊的焊接工艺可以明显降低焊接过程中产生的残余应力。(4) 从模拟计

20、算和试验测量结果的对比分析来看，两者吻合较好，说明本文所建立的Marc 有限元模型是可行的。特别地，厚度方向残余应力z 可以通过有限元模型计算得出，解决了实际工程中厚板内部应力难得出的问题，为进一步研究特厚板焊残余应力提供参考依据。实验体会：对于本次研究实验，虽然实验过程中有一定的误差存在，但是根据实验的结果和软件模拟分析的结果来看，计算机模拟仿真软件较好的验证了真实实验的结果，并从不同角度对实验进行分析和研究，对进一步的解决实验过程中的问题，以及可能研发的方向有着非同一般的影响，对实际的生产有着重要意义。可以自信的说，在现实生活中不能解决的问题，我们可以借助计算机模拟仿真软件来解决，这对当今

21、快速发展的经济来说，是至关重要的，因为通过计算机仿真模拟软件，可以较大程度的减少成本，而带来相同的效益，这也是我们需要掌握计算机模拟仿真软件的必要性。参 考 文 献1. 李慧娟，黄振华， 张京焘.厚板多层多焊道的数值模拟分析宇航材料工艺, Aerospace Materials & Technology, 2007,10.2. 杨广臣, 薛忠明, 张彦华.厚板多层多道焊角变形分析方法YANG Guang-chen, XUE Zhong-ming, ZHANG Yan-hua(Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 1

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