（机械制造及其自动化专业论文）盾构机刀盘典型部位焊接过程的数值模拟与研究.pdf

摘要 摘要 盾构机刀盘属于大型焊接结构，主要焊缝的数量可达上百处。焊缝开裂甚 至断裂是刀盘工作中的主要失效形式之一。焊缝处焊后残余应力以及变形情况 对刀盘的寿命以及结构稳定性有着很大影响。本文采用大型有限元分析软件 a n s y s 对刀盘在实际工作中的受力情况进行了有限元仿真分析，发现刀盘与法 兰盘联接部位的焊缝及其周围承受应力最大，恰为刀盘事故分析报告中易出现 裂纹的位置。因此，本文将该部位选取为刀盘典型部位，并将该部位提取出来 并建立焊缝处多层多道焊的焊缝模型，基于有限元以及热弹塑性等相关理论模 拟了典型部位焊接过程，并得出了该典型部位温度场、应力场分布变化以及最终 的残余应力和变形情况。 针对二氧化碳气体保护焊多层多道焊接厚板的情况，本文采用双椭球热源 模型来模拟焊接过程的热能输入，模型不同位置的对流情况也分别作了讨论和 处理。仿真结果表明采用随着热源移动而逐段激活热源附近单元的单元生死技 术可以准确模拟实际焊接过程中焊缝逐步成型的过程。对有限元模型整体的温 度场分布和变化规律以及模型特定位置的热循环曲线变化情况进行了讨论和分 析。用直接耦合法将温度场结果作为力学分析的载荷，得出了模型纵向、横向 以及等效应力的应力循环曲线的变化规律以及模型最终的变形状况。论文研究 对盾构机刀盘的焊接工艺具有一定的指导意义。 关键词：刀盘典型部位：温度场；应力场；变形 论文类型：应用研究 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec u t t e r h e a do fs h i e l dm a c h i n e ，c o n s i s t i n go fh u n d r e d so fw e l d i n gs e a m s ， b e l o n g st ol a r g ew e l d e ds t r u c t u r e w e l dc r a c ki so n eo ft h em a j o rf a i l u r em o d e s d u r i n gi t sn o r m a lw o r kp r o c e s s w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sa n dd i s t o r t i o nd i s t r i b u t e di n t h e s ew e l d i n gs e a m sh a v eab i gi n f l u e n c eo nt h ef a t i g u el i f ea n ds t r u c t u r a ls t a b i l i t y o ft h ec u t t e r h e a d t h ef o r c ea n a l y s i so ft h ec u t t e r h e a dd u r i n gt h en o r m a lw o r k i n g c o n d i t i o ni s c o m p l e t e db yt h e a n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f t v v a r e t h es t r e s s d i s t r i b u t i o no ft h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h em a x i m u ms t r e s sd i s t r i b u t eo nt h e w e l d i n gs e a m sa n dt h e i rn e i g h b o r h o o dr e g i o n so ft h ec o n n e c t i o np a r tb e t w e e nt h e c u t t e r h e a da n dt h ef l a n g ep l a t e ，w h i c ha r et h ep o s i t i o n st h a tp r o n et oc r a c k i n g a c c o r d i n gt o 、析t l lt h ec u t t e r h e a df a i l u r ei n c i d e n tr e p o r t s i nt h i sp a p e r , w ec a l lt h o s e p o s i t i o n sa st h et y p i c a lp o s i t i o n so ft h ec u t t e r h e a d a c c o r d i n gt ot h ea b o v er e s e a r c h r e s u l t s ，b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dt h et h e r m a le l a s t i c p l a s t i cf i n i t e e l e m e n tm e t h o d , af i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h et y p i c a lp o s i t i o nt h a tc o n t a i n s m u l t i l a y e ra n dm u l t i p a s sc 0 2a r cw e l d i n gs e a mi sc r e a t e dt os i m u l a t et h ew e l d i n g p r o c e s s s ot h et e m p e r a t u r ef i e l d ，t h es t r e s sf i e l da n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s i d u a l s t r e s sa n dd i s t o r t i o nc a r lb es h o w nb yt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n d u r i n gt h es i m u l a t i o n , t h ed o u b l e e l l i p s o i dh e a ts o u r p ：em o d e lw a sa d o p t e dt o s i m u l a t et h ew e l d i n gh e a ts o u r c e t h ee l e m e n tb i r t ha n dd e a t ht e c h n o l o g yw h i c hc a n a c t i v a t e s t h ew e l d i n gb e a m s e l e m e n t ss t e pb ys t e pw a sa d o p t e dt os i m u l a t et h e f o r m i n gp r o c e s so ft h ew e l d i n gb e a m sd u r i n gt h ew e l d i n gp r o c e s s ，t h ec o n v e c t i o n s i t u a t i o no nd i f f e r e n tp o s i t i o no ft h em o d e lw a sa l s oc o n s i d e r e d t h et e m p e r a t l l r e f i e l do ft h em o d e la n dt h et h e r m a lc y c l i n gc u r v eo fs o m et y p i c a lp o s i t i o n so ft h e m o d e lw e r ed i s c u s s e da n da n a l y z e d ，a n dt h c i ra c c u r a c yi sa l s oc o n f i r m e d t h e t e m p e r a t u r ef i e l dw a sa d o p t e da st h el o a do fs t r e s sa n ds t r a i na n a l y s i sb yu s i n gt h e d i r e c tc o u p l e dm e t h o d a f t e rt h es o l u t i o np r o c e d u r e ，a l lt h ec o m p o n e n to ft h es t r e s s i n c l u d i n gy o nm i s e ss t r e s s ，x ，ya n dzc o m p o n e n to fs t r e s sf r o ma l lt h ep o s i t i o no f t h em o d e ld u r i n gt h ew e l d i n ga n dc o o l i n gd o w np r o c e s sw e r ea v a i l a b l e ，s od i dt h ex ， y zc o m p o n e n to fd i s p l a c e m e n ta n dt h et o t a ld i s t o r t i o no ft h em o d e l t h er e s e a r c h o ft h i sp a p e rs h o w sv a l u a b l eg u i d i n gs i g n i f i c a n c et ot h eb o n d i n gt e c h n o l o g yo ft h e i i a b s t r a c t e u t t e r h e a do fs h i e l dm a c h i n e k e yw o r d s ：t y p i c a lp o s i t i o n so f t h ec u t t e r h e a d ：t e m p e r a t u r ef i e l d ：s t r e s sf i e l d ； d i s t o r t i o n p a p e rt y p e ：a p p l i e dr e s e a r c h 1 1 i 1 绪论 1 绪论 1 1论文研究背景和意义 近年来，盾构隧道掘进机( 简称盾构机) 由于其自动化程度高、施工速度 快而且施工过程中对地面建筑物以及交通影响小等优点在国内广泛应用于地 铁、铁路、公路、水电等隧道工程。当前，中国已经成为世界上最大的盾构机 市场。 盾构机种类繁多而且开挖的具体方式各异，但基本工作原理都是一个圆柱 体的钢组件沿隧洞轴线边向前推进对土壤进行挖掘。盾构机在工作中，盾构机 头部的刀盘不断旋转并且推进，将大块的岩石切削成细小的碎渣。因此，盾构 机刀盘在工作中既承受动力部分传递来的推力和扭矩，又承担来自前方土壤或 岩石的冲击。刀盘是盾构机的关键结构件，其使用寿命和工作质量直接影响着 隧道挖掘施工进度和隧道工程质量。目前，国内外刀盘主体结构都是采用焊接 结构，采用焊接结构的刀盘在盾构机制造领域已经得到了大量应用。然而，由 于盾构机工况受工作环境地质条件影响巨大，工作过程中主要承受交变载荷， 所以，其结构失效现象时发生。根据国内外盾构机使用状况调查，现有刀盘结 构的主要失效模式有：材料磨损、构件机械损伤开裂。损伤开裂的现象绝大 多数发生在焊缝附近。 对于焊接结构，由于工艺本身所限，不可避免地会带来残余应力和焊接缺 陷，刀盘中的连接焊缝是刀盘结构强度的薄弱部位，焊接接头区域的焊缝质量 和断裂强度就决定了整个刀盘的使用寿命。刀盘在实际工作中，不同位置的载 荷分布情况有着非常大的差异。盾构机刀盘在工作中所发生的损伤开裂一般出 现在应力比较集中的位置，这些位置绝大多数都是焊缝所处的位置。而且刀盘 钢结构的焊缝的焊接质量问题而使刀盘的性能遭到削弱，甚至失效。例如：中 铁隧道装备制造有限公司引进的先锋一号、先锋二号盾构机在使用过程中，连 接刀盘与主轴承的立柱( 仿形刀所在的立柱) 常出现焊缝开裂的情况。2 0 0 5 年， 广州某盾构工程正在珠江底施工的两台盾构机分别发生严重的刀盘开裂和解体 事故，并且在施工过程中多次出现刀盘钢结构的焊缝开裂情况【2 i 。这些情况最 终导致施工过程中不同程度的停顿、工期的延误以及人力、物力的损失。解决 1 绪论 刀盘钢结构的焊接质量问题必须要从刀盘钢结构的焊接工艺方面入手。随着焊 接技术的不断成熟以及各种金属探伤手段的发展，已经可以保证刀盘钢结构焊 缝中不会或者极少出现虚焊、漏焊的情况。但焊接过程中钢结构产生的焊接残 余应力以及变形情况仍然是决定刀盘钢结构焊接质量好坏的关键。 焊接的过程涉及到复杂的电弧物理、传热、冶金和力学等因素。焊接现象 包括焊接过程中产生的电磁、传热过程、焊接应力以及变形、金属的熔化和凝 固以及相变等等【3 】。焊接过程中热源急剧加热焊缝以及附近的金属材料使其熔 化形成熔池。熔池附近的金属材料受热膨胀并且受到较冷区域的限制而产生热 应力。超过材料屈服极限的应力可导致该部分材料发生不规律的压缩塑性变形。 熔池内金属材料随着热源的远离而逐渐降温凝固，并且在冷却收缩的过程中受 到周围材料的约束而无法自由收缩，从而在该区域产生不规则的残余拉应力， 其相邻部分则存在不规则的残余压应力 4 - 6 1 。焊接过程产生的焊接变形有可能导 致刀盘钢结构产生超差变形，从而降低刀盘钢结构的强度和稳定性，甚至影响 刀具以及其它部件的安装。一旦发生超差变形，矫正工作将会耗费大量的人力 物力以及时间，这无疑会增加刀盘的制造成本。焊接过程中随着热能的输入以 及热源在工件上不停地移动，随之产生的不断变化的瞬态热应力并且在焊接结 束之后这些应力最终变化为不规则的焊接残余应力存在于刀盘钢结构的焊缝以 及焊缝周围。这些不规则的残余应力是导致刀盘钢结构的焊缝位置在正常工作 寿命期间出现裂缝的主要诱因之一，并且影响刀盘钢结构的疲劳强度、结构刚 度以及稳定承载能力。 刀盘刚结构的焊接过程中，人们一般通过以往的经验或者实验的方法来选 用合适的焊接工艺以此获得合理、可靠而且经济的刀盘钢结构。但盾构机种类 多样而且不同地质条件下，盾构机的刀盘的结构也各不相同，从而很难用经验 的方法精确掌握刀盘上所有钢结构在焊接之后的焊接残余应力和变形，更不可 能精确掌握焊接过程中的焊接应力和变形的瞬时变化情况。实验的方法费时费 力，而且成本比较大，任何形式的失败都会加大实验成本。因此采用有限元的 方法并且利用计算机来对刀盘钢结构的焊接过程的温度场进行模拟，从而由温 度场的变化情况得出焊接过程中精确的焊接应力以及变形的变化情况以及最终 的残余应力、变形情况，并且以此来预测和把握焊接规律、提高焊接质量、减 少甚至取代实验、缩短工期是十分可行有效的。结合刀盘实际焊接过程中的经 验，将实际焊接过程接近真实地体现在有限元模型中，从而有助于科学掌握刀 2 l 绪论 盘钢结构焊接现象和规律，优化焊接工艺，并带来巨大的经济和社会效益。 1 2国内外研究现状 1 2 1焊接温度场模拟分析研究现状 研究焊接温度场是进行焊接应力场分析的基础，温度对材料的力学性能有 显著的影响，很多材料参数是温度的非线性函数。焊接热过程直接决定了焊接 和热影响区焊后的显微组织、残余应力与变形。焊接传热理论分析最早起始于 2 0 世纪3 0 年代，前苏联科学院的r y k a l i n 院士研究对传热问题进行了系统的研 究，建立了传热学的理论基础。d r o s o n t h a l 等在当时首次将焊接热源分为点状、 线状、面状热源并提出用于热分析的r o s o n t h a l 解析模型1 7 1 。解析模型由于将焊 接传热过程过度简化而导致分析结果与实际情况出入较大，而且其采用的差分 法也难以分析传热过程中大量的非线性问题，因此其应用和发展受到制约。用 有限元方法进行焊接过程温度场仿真模拟始于2 0 实际7 0 年代，加拿大的p o l e y 和h b i b b e r t 编制了采用有限元法进行计算非矩形截面以及常见的单层、双层的 u 型和v 型坡口焊接传热问题的仿真程序，并证实了用有限元法研究和计算焊 接温度场的可行性。美国的g w k r u t z y 博士在其1 9 7 6 年的论文中建立了焊接 温度场仿真分析的二维模型，并假定电弧在焊接方向上的运动速度大于材料传 热速度，因而电弧前端输入模型的热量相对较小，并以此忽略了电弧前端在模 型上的传热。国内最早在八十年代也开始温度场仿真模拟研究的工作。1 9 8 1 年 西安交通大学唐慕尧等人在国内首先编制了采用有限元法计算薄板焊接过程准 稳态温度场分布的程序。上海交通大学焊接教研室基于有限元法对焊接过程非 线性瞬态温度场的相关问题做了大量研究，提出了求解非线性热传导方程的变 步长外推法并应用于二维焊接过程仿真模型中嘲。随着计算机技术以及热分析 相关理论的发展，焊接过程温度场模型开始逐渐由二维转入三维，而且研究内 容逐渐细化。清华大学蔡志鹏等人将分段移动的高斯热源模型应用到了焊接模 拟过程中，在保证温度场准确和精确的前提下大大提高了计算效率睁i 。天津大 学郑振太博士等人在焊接热源和边界条件方面做了非常深入的研究，在其著作 中将m i g m a g 焊输入的热源的作用形式考虑为高斯热源和熔滴的圆柱体热源 共同作用，其仿真结果与试验实测数据吻合良好【l o l 。郑振太与其他不同学者合 作对c 0 2 气体保护焊热源模型以及平板焊接中模型上喷嘴、气体影响区以及自 1 绪论 然对流区等不同区域的对流情况做了研究，确定了具有强制对流作用的c 0 2 气 体保护焊的对流边界条件计算公式，其仿真研究结果与实验对比较为吻合【l l 1 2 】。山东大学赵明、武传松等人研究了电弧焊接热过程中熔池附近相变潜热的 问题，并采用三种方法对其进行处理。对比仿真结果得出考虑金属相变与否对 模型整体温度场的影响不大，但对熔池附近的温度变化起到缓冲作用，考虑相 变更符合焊接的实际情况【1 引。哈尔滨工业大学现代焊接生产国家重点试验室的 董志波等人对比高斯热源、双椭圆热源和双椭球热源的仿真结果，最终采用双 椭球热源并在模型中考虑相变潜热以及熔池内部流体流动的因素并将仿真结果 与试验做了对比，两者较为吻合1 1 4 1 。 中外学者们对焊接过程温度场的深入、细致研究为焊接应力、应变仿真提 供了必要的准备和依据。 1 2 2焊接应力、应变模拟分析的研究现状 焊接过程的应变是由焊接过程中热源作用于工件焊缝部位导致焊缝附近温 度急剧升降以及工件整体温度分布和变化不均，从而导致热影响区产生应力并 最终导致焊缝以及工件上产生应变。 焊接应力应变研究始于2 0 世纪3 0 年代，主要通过测量以及定性的方式来 进行研究。许多学者尤其是工程界大都根据试验数据来总结出焊接残余应力应 变的公式。但经验公式只适用于较为简单的模型以及某些典型的焊接方式。焊 接发展日新月异，各种新型焊接方式不断涌现以及种类繁多形状各异的焊接结 构使经验公式的应用推广遇到很大阻碍和局限。但一直以来学者们对焊接应力 变形方面传统的研究也为仿真模拟提供了有价值和指导意义的理论和参考峨 1 6 】。5 0 年代前苏联学者奥凯尔布鲁姆等人在考虑金属材料性能与温度之间的相 互关系的条件下，分析了一维条件下温度变化对焊接应力、应变的影响并且用 图解的方式分析了焊接过程的热弹塑性及其动态演变分布过程。进入6 0 年代之 后，焊接热力学模拟理论的不断丰富和完善伴随着有限元技术以及计算机技术 的发展使焊接应力、应变的数值模拟逐渐得到应用和推广。1 9 7 1 年1 w a k i 编制 了用于分析平板堆焊热应力分析的二维有限元程序。日本大阪大学的上田幸雄 教授，长期以来从事焊接热弹塑性理论的研究，创建了“计算焊接力学”的新 学科【1 7 1 ；美国麻省理工学院的m a s u b u c h i 等在焊接残余应力和变形以及焊接结 构方面有深入的研究f 1 8 ，1 9 i 。瑞典的l k a r l s s o n 、加拿大的a g o l d a k 等在焊接热 4 1 绪论 传导和热应力分析以及焊接接头组织性能预测方面做了许多研究。焊接变形方 面的数值模拟方法主要包括固有应变法以及热弹塑性有限元法。固有应变法由 于其无需进行温度场以及应力场的求解直接在焊缝附近施加与焊接参数以及模 型相符的固有应变，通过一次有限元计算就可以快速得出整个模型的焊接变形 情况，极大地降低了模型所需要的运算量。一些国内外的学者如上海交通大学 的谢雷、罗宇旺o l ，国外的学者如b a c h o r s k i a t 2 1 i 、m u r a k a w a 2 2 1 ，d e n g t 2 3 1 等人采 用固有应变法预测了焊接之后变形的情况。固有应变法大多应用薄板或者板厚 相对于整体来说厚度可以忽略的模型中，而且对于厚板或者较为复杂的焊接结 构，固有应变法仅作为一种近似预测的方法很难准确掌握其变形情况，也无法 得知焊接应力的精确分布。热弹塑性则需要对温度场进行求解，将得出的温度 场结果作为载荷施加在模型上，求解之后可以得出模型在整个焊接过程中应力 分布以及应变情况，可以考虑各种复杂的模型以及焊接过程中各种因素的影响， 但这极大地增加了计算机的运算时间。而热弹塑性有限元法随着计算机硬件水 平的提高而逐渐发展、成熟，并越来越多地应用于焊接应力应变的研究领域。 上海交通大学的陈建波用热弹塑性法得出了大型船体耐压舱的焊接变形情况1 2 t 矧。华中科技大学的梁晓燕用同样的方法得出了中厚板多道焊的焊接应力和变 形，其模拟结果与试验结果较为接近1 2 6 1 。国内外学者们对焊接过程中影响应力、 应变分布和变化情况的各种因素做了大量细致的研究，得出许多对焊接应力应 变模拟方面极具价值的结论。f a n r o n gk o n g 研究了在气体保护焊对条件下平板 对接焊接过程中温度场以及应力场的分布【2 7 1 ，c h e i n z e 2 8 1 和t s c h e n k l 2 9 1 等人各 自研究了焊接仿真模型不同网格划分情况下对应力、应变的影响，并与试验结 果相对照，得出了很有价值的结论。姬书得等人通过数值模拟研究了不同焊接 顺序对焊接残余应力的影响进行 1 3 0 , 3 1 1 。 1 2 3 盾构机刀盘研究现状 目前，国内外学者对盾构机刀盘开展了大量的研究工作，但主要是对刀盘的 运行过程中的动态受力分析或者结构分析。上海交通大学的z h a n gk a i z h i 等人主 要讨论了盾构机在泥土和岩石混合环境下运行时，刀盘上各刀具在变频电机驱 动条件下所承担的载荷以及刀盘承担的动态扭矩情况，并讨论了刀盘在不同工 况下运行过程中动态扭矩和转动速度之间的关系，结果显示刀盘采用高的转动 速度以及低的开挖速度可以使电机避免出现状况并保持较为良好的工作状态 i 绪论 【32 1 。浙江大学的h u s h i ，y a n gh u a y o n g 等人通过对盾构机实际工作情况的研究，按 照刀盘实际工况来综合考虑刀盘结构、挖掘原理、以及刀盘与土壤的相互作用 等情况下的刀盘承受扭矩的计算方法，并通过试验验证了该方法的正确性。研 究结果表明刀盘扭矩与地质结构、刀盘本身的开口率以及泥土的压力密切相关 【3 3 1 。天津大学的w a n gl i h u i 等人研究了盾构机开挖硬岩环境下刀盘上刀具的磨损 状况，并认为刀具磨损状况影响着盾构机运行时的相关参数，随后选取了这些 相关参数并建立了比能方程来预测刀盘上刀具的磨损情况。其研究认为刀盘的 半径也是影响刀具磨损状况的因素之一【3 棚。在国内，张洪涛、李钟等人研究了 刀盘的结构以及刀具的布置规律与刀盘及刀具寿命之间的关系【3 射。蒲毅、刘建 琴等人研究了盾构机刀盘刀具的布局问题，确定了刀具数量的磨损系数法和掘 进系数法1 3 们。 综上所述，国内外针对盾构机刀盘结构和刀具方面的研究已经很多，但鲜有 对刀盘焊接工艺和焊后残余应力和变形方面的研究，然而刀盘焊接质量方面的 问题也是影响刀盘结构稳定性以及寿命的重要因素之一。因此，很有必要开展 焊接工艺的研究，由于试验研究费时费力而且试验成本非常大，本文拟开展盾 构机刀盘焊接过程的数值模拟分析，为优化刀盘焊的接工艺参数，提高刀盘的 焊缝质量，提高刀盘的使用寿命提供一种新的途径以及强有力的依据。 1 3论文主要研究内容 本课题来源于和中铁隧道装备制造有限公司合作的项目“硬岩刀盘的抗疲 劳评定及延寿技术的研究 。 本文基于盾构机刀盘的研究现状，开展盾构机刀盘典型焊接部位焊接过程 的数值模拟研究，论文主要研究内容有以下五个方面： ( 1 ) 盾构机刀盘典型焊接部位的选取：用有限元软件a n s y s 中的 w o r k b e n c h 协同仿真模块对刀盘在承受工作载荷的情况进行有限元分析，找 出承受应力最大的位置，结合实际事故报告最终确定刀盘上承受应力最大并且 在实际工作中易出现裂纹甚至断裂的焊缝部位( 作为刀盘典型部位) ，也是本 文焊接模拟的主要研究对象。 ( 2 ) 焊接分析有限元模型的建立：用有限元软件a n s y s 的参数化编程语言 ( a p d l ) 建立包含多层多道焊的刀盘典型部位的有限元分析模型。 6 l 绪论 ( 3 ) 焊接温度场仿真：讨论和选取合适的参数对典型部位焊缝的焊接过程 进行模拟，并对温度场的结果进行分析和讨论。 ( 4 ) 耦合方式的选取：研究温度场和应力应变之间的关系，分析和讨论将 温度场作用于模型并得出应力场以及变形的方法。 ( 5 ) 焊接应力场仿真：对刀盘典型部位焊缝焊接过程中应力的变化规律、 焊后残余应力的分布以及变形的情况进行数值模拟与分析，并对结果进行分析 和讨论。 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 对刀盘进行实际工况下的力学分析是找出并建立刀盘典型部位有限元模型 的前提。本章将建立盾构机刀盘的有限元模型，划分网格并对其加载实际工作 中所承受的载荷并进行运算。确定刀盘关键部位，建立包含焊缝的典型部位的 有限元模型，并对其进行网格划分，选取正确的材料参数以及热源模型，为典 型部位焊缝焊接温度场以及应力场仿真做必要的准备。 2 1盾构机刀盘受力的有限元分析 盾构机在正常工作中，刀盘部位受损或失效形式各种各样，主要包括以下 几个方面：材料磨损、构件机械损伤开裂。其在工作中既承受来自盾构机的推 力以及扭矩等静载荷，而且在每次起停的过程中承担更为复杂和突出的动载荷， 其间容易发生结构疲劳损伤和断裂破坏现象。本节将通过建模并仿真模拟的方 法研究刀盘在工作中的受力情况并确定刀盘上承受应力最大的位置。这些位置 所属的结构是刀盘在运行中最有可能在正常工作寿命之内出现问题的结构，本 文中我们将之称为刀盘典型部位。 2 1 1刀盘有限元模型的建立和力学分析 刀盘三维模型是根据中铁隧道装备制造有限公司提供的轮辐式刀盘的图纸 而建立的三维模型。由于刀盘结构复杂而且钢结构部件繁多，建模的时候考虑 到计算机的性能因而在保证刀盘主要结构都包括在内的情况下简化了对力学分 析影响不大的结构。为保证结果的准确性以及减少模型单元数量，取消所有接 触面并将所有部件建成整体部件。刀盘三维模型图如图2 1 所示。 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 刀盘承受载荷情况如图2 1 中所示，a 表示刀盘启动时承受的扭矩，其大 小为5 xl0 6n 聊，方向如图中箭头a 所示：b 表示刀盘法兰盘上承受的推力， 有限元力学分析中将推力设定为固定支撑；c 代表刀盘盘面上承受来自前方土 壤结构的反推力的方向，其大小为1 2 x 1 0 7 ；d 代表重力的方向。 占 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 图2 2 刀盘三维网格模型图 采用a n s y s 软件中的w o r k b e n c h 的仿真系统环境对刀盘三维模型进 行网格划分，根据力学分析的特点在结构较为复杂区域( 如于法兰盘与刀盘的 立柱部分，即牛腿部位) 采用较细化的网格，其他部位则尽量采用较为稀疏的 网格，以此进一步在保证力学分析准确性的前提下降低节点和单元数量，减少 计算机运算量和运算时间。图2 2 为划分网格之后的有限元模型图，模型图的 节点数为8 0 6 8 9 1 ，单元数为5 0 6 4 3 8 。 通过对刀盘三维模型的网格划分之后，在模型上加载刀盘实际工作中所承 受的载荷。求解之后其应力分布云图2 3 如所示，从图2 3 可以看出其应力最 大部位绝大部分发生在刀盘牛腿部位，其最大主应力为4 3 7m p a ，大于刀盘材 料q 3 4 5 的屈服强度3 4 5 m p a 。 l o 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 上巾a 州一鼬6 x e q u l v a l e n ls t r e s s s y s 00 0 0 20 0 0 ( r n ) = = 二= = 二 10 0 0 图2 37 j ；j 戍力分布云图 图2 4 刀盘应力分布云图( 牛腿部分) 1 1 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 图2 5 刀盘牛腿焊缝开裂 图2 4 显示刀盘中一条牛腿部分的应力分布云图，牛腿与刀盘接触的部位 应力集中的现象较为明显，针对应力集中的部位中各位置的应力值进行取样。 取样结果如图2 4 所示。图示超出屈服强度的部分虽然体积很小，但该位置是 刀盘运行过程中最容易发生疲劳损伤并且出现裂纹的位置，也正是牛腿上焊缝 所处的位置。围绕牛腿与法兰盘的环形应力分布区域也是裂纹延伸和扩大的区 域。图2 5 为刀盘牛腿处焊缝开裂并出现环形裂纹的状况【l j 。结合图2 3 和图 2 4 可知刀盘力学有限元分析结果与实际情况相符。 2 1 2刀盘典型焊接部位的选取 根据上述对刀盘实际工作中的承受载荷情况下的力学分析，并依照上述运 算结果的应力云图提取出刀盘上承受应力最大的位置( 即牛腿位置) ，确定该位 置为刀盘典型部位将该典型部位单独提取出来并重新建立更加细化的模型，即 包含钢结构中整体焊缝中体现多层多道焊的刀盘典型焊接部位有限元模型。由 于刀盘典型部位上的焊缝尺寸比较大，在焊接过程中不可能将整个焊缝一次成 型，因此，刀盘典型部位上的焊缝经历了上百道的焊接过程。每经过一道焊， 焊缝材料便在之前的焊缝上形成一道新的焊缝，焊缝材料不断填充，最终形成 一条完整的合乎要求的焊缝。典型部位的几何模型图如图2 6 所示： 1 2 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 曩 图2 6 刀盘典型部位的几何模型图 典型部位由钢板和焊缝组成，两钢板的厚度均为8 0 r a m ，并且保持6 5 。的 夹角，蓝色区域的部位为焊缝结构，蓝色区域内每一个小格子代表一道焊缝。 从几何模型图上可以看出一条焊缝中包含7 0 多道焊缝，模型刀盘上该位置的焊 缝上焊道的数量以及形状略微有些出入。实际焊缝在焊接成型的过程中，由于 重力、电弧冲力、保护气体的作用以及熔池内部的流动和搅拌等等因素，每道 焊缝的形状都不会是规整的图形，因此只能尽量科学近似的建立焊缝多层多道 焊的模型。 2 1 3刀盘典型焊接部位有限元模型的简化处理 获得正确的刀盘典型部位焊缝焊接过程温度场是得到与实际情况相符的焊 接瞬态应力、应变以及焊后残余应力、应变的基础。在进行多层多道焊焊接瞬 时温度场的有限元模拟的过程中，每道焊缝在成型之后，其温度场都要作为下 一道焊缝在焊接之前的边界条件施加在模型中，每道焊缝在成型过程中以及成 型之后的温度场都会跟实际焊接过程的温度场存在一定的差异，仿真模拟的焊 缝数目越多，那么随着焊接仿真过程中焊接时间的推移，温度场与实际情况的 偏差就越大。如果将刀盘典型部位焊缝的焊接过程完整模拟，那么温度场仿真 的结果的正确性得不到保证，而且之后的力学分析的结果的正确性也根本无法 保障。与普通的将载荷一次性施加到有限元模型上的静态温度场或者应力场分 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 析相比，多层多道焊的温度场仿真过程中，热源的输入是不断的变化位置的( 有 关热源的描述以及加载热源的方式将在接下来的章节中说明) ，必须考虑误差的 累积因素。 为了获得正确的温度场，并为接下来的应力、应变分析做铺垫，本文将以 上模型简化处理，焊缝简化为三层、四道。以此来掌握与刀盘典型部位结构相 同的模型的焊接温度场以及焊接应力、应变的情况。 口第道焊缝 w 一 道焊缝 道焊缝 道焊缝 图2 7 刀盘典型部位焊缝简化的j 1 a i 模型图 模型中h 0 = 2 0 m m ，h = 1 0 m m ，l = 5 0 m m ，w = 6 0 m m 。彩色区域为焊缝部位， 每一种颜色代表一道焊缝。 2 2刀盘典型焊接部位有限元模型与网格划分 据上述力学分析，建立刀盘典型部位的有限元模型。采用八节点八面体的 s o l i d 7 0 单元。其有限元模型以及网格划分之后的情况如图2 8 所示。考虑到该 模型并不具有对称性，因此无法通过取一半对称模型的方式来降低模型的节点 个数。焊缝以及焊缝附近在焊接时的温度梯度要大于远离焊缝的位置，为使结 1 4 2 刀盘典型焊接部位有限元模刑的建立 果精确而且降低节点个数，焊缝以及焊缝附近的单元网格大小控制在2 m m 或 者2 m m 以下。远离焊缝的位置的单元大小则随着与焊缝距离的增大而采用逐 渐稀疏的网格。此中形式的网格划分既有助于焊接过程温度场以及应力场模拟 结果准确性的同时减小模型的运算量，从而减少计算机运行的时1 8 】。 图2 8 刀盘典型部位有限元模型 2 3材料特性参数的选取 制造刀盘所采用的材料为q 3 4 5 ，属于低合金结构钢。q 3 4 5 具有较高的韧 性和疲劳强度，适用于刀盘这种在工作中承担较大动载和静载的大截面部件。 本文进行刀盘典型部位焊接过程有限元分析需要q 3 4 5 不同温度下的热物理性 能参数，分别为：密度、比热、导热系数、相变潜热。焊接过程应力以及焊后 残余应力分析则需要q 3 4 5 在不同温度下的热膨胀系数、泊松比、杨氏模量等 热物理性能参数【2 刀。与常温下的材料性能参数不同，不同温度下的热物理性能 参数则随温度发生非线性的变化，而且参数值也并非齐全，尤其是高温下的热 物理性能参数更是难以获得，甚至至今还处于空白状态。 本文对热物理性能参数的获取和处理办法是将材料在典型的各温度下的热 物理性能参数输入a n s y s 的材料数据库，超过熔点的材料性能参数相对熔点 附近的性能参数来说变化不大，则统一采用熔点处的性能参数。已知的典型温 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 ii i ii i i i_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_-_ 度以外的热物理性能参数则根据相邻典型温度的热物理性能参数并采用插值法 获得。q 3 4 5 随温度变化的热物理性能参数如下各图所示： 图2 9 q 3 4 5 密度随温度变化曲线 图2 1 0q 3 4 5 比热随温度变化曲线 巅 1 谣 霰 曲 图2 1 1q 3 4 5 导热系数随温度变化曲线图2 1 2q 3 4 5 线膨胀系数随温度变化曲线 1 6 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 嘲 辎 哩 爆 图2 1 3q 3 4 5 杨氏模量随温度变化曲线 2 4 热源模型的确定 焊接过程中输入的热源是不断移动的，而且在焊缝以及焊缝附近形成时间 和空间梯度很大的不均匀的温度场。这些不断变化的瞬态温度场导致工件上产 生残余应力以及应变。研究而且建立与各种焊接方法和焊接条件相匹配的热源 模型是掌握与实际相符的焊接过程温度场以及瞬时应力场以及最终掌握准确的 残余应力情况的前提。 热源按维数分为一维、二维、三维热源。一维热源是点热源，在有限元分 析中作为热流率作用于线单元模型中。如果模型表达式是正值，说明能量输入 节点；如果表达式是负值，说明能量从节点流出。点热源只用于早期的传热分 析，而且在有限元模型中运用点热源模型的时候会产生温度梯度远大于实际情 况的结果，而且点热源无法反映焊接时候熔池及其附近发生的搅拌、重力、表 面张力、蒸汽压力、电弧冲力等等因素。因此在焊接过程有限元仿真模拟分析 中，一般不将点热源作为输入热源。针对不同的焊接方法，人们提出如下一系 列的热源模型： 2 4 1高斯分布热源模型 对于普通比较常用的手工电弧焊、钨极氩弧焊等焊接冲力不大的焊接方法， 采用高斯分布的热源模型就可以比较准确地表述输入热源的规律并得到比较满 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 意的结果。距离热源中心距离为，的任意一点爿的高斯分布热源的热流密度的 表达形式如下： 咖h e x p ( _ ( 2 1 ) q m2 鬲- - - 2 式子中，为热源模型上么点与热源中心的距离；q ( r ) 为热源模型上与热 源中心距离为，的任意一点彳的表面热流密度( 形聊2 ) ：q 为输入热量；q 。为 热源中心处输入的热流量最大值；r 为热源有效作用半径。高斯分布的热源模 型热能分布如下图所示： 图2 1 4 高斯热源模型 该热源模型将输入工件的热量描述为在热源有效作用半径( r 以内) 呈高 斯分布的热流密度，并在有限元模拟的过程中以面载荷的形式施加在工件模型 上。高斯分布的热源模型在一定程度上能较准确地反映出电弧冲力不大的手工 电弧焊、钨极氩弧焊等焊接方法的热源分布规律。不仅如此，高斯热源还被广 泛应用于描述其它焊接方法的热源分布规律并运用到不同焊接方法的温度场有 限元分析中。许多学者也针对高斯热源模型做了很多相关的研究。广东肇庆学 院电子信息与机电工程学院的董克权等人研究了焊接有限元温度场模拟过程中 高斯热源的加载以及热流密度的存储和计算方法，并运用到双丝埋弧焊的焊接 过程有限元温度场的模拟过程中4 刁。南京航空航天大学机电学院的朱伟军、 1 8 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 卢文壮等人采用高斯热源，获得了中心运输车车架特征点焊温度场的变化规律， 试验与仿真结果具有良好的一致性【4 3 】。 2 4 2半球形和椭球形热源模型 对于电弧冲力以及穿透效应较大的焊接方法，如激光焊、电子束焊等，在 有限元仿真分析的过程中必须考虑电弧对工件的穿透作用，因此学者们将高斯 热源改进，提出半球状热源。半球状热源的热流分布函数为： 卅，= 彘唧f - 掣1 2 ， 半球状热源既考虑了电弧在工件表面输入热流的规律的同时在一定程度上 考虑了电弧的穿透作用，并将二维的高斯热源分布形式扩展到三维形式。但实 际焊接工作中，热源并不是以标准的半球型作用在工件上，于是学者们提出了 椭球状热源模型，椭球状热源模型的热源分布函数为： 小棋小蒜唧( _ 3 ( 事y 2 剐 泣3 ， 式子中，a ，b ，c 分别为三维坐标系中x ，y ，z 轴的半轴长。椭球状热 源模型相比，有了很大的改进，可以根据实际情况来调整公式中的a ，b ，c 的 值，以此来实现不同焊接方式以及不同焊接工艺参数下热源模型符合实际电弧 的的热输入规律。 2 4 3双椭球形热源模型 实际上，在厚板多层多道焊的焊接过程中，对于电弧冲力比较大的一些焊 接方法，熔滴对工件的加热作用是不容忽视的，往往在热源的前半端，电弧对 熔池起着主要的加热作用；在热源的的后半端，电弧和熔滴共同作用于熔池。 因此热源的前半部分传递的热能要低于后半部分所传递的热能。考虑到这种情 况，人们提出双椭球形热源模型。该模型将输入工件的热源分为两个前后两个 部分，两部分均为高斯分布的体热流密度。前半部分为l 4 椭球，体现电弧对 熔池的作用；后半部分为另一个1 4 椭球，体现电弧和熔滴对熔池的共同的作 用。随着人们对双椭球形热源模型进行研究和深化，双椭球形热源模型可以越 来越正确地反映一些电弧冲力较大的焊接方法，如二氧化碳气体保护焊、激光 1 9 2刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 焊、电子束焊等等。盾构机钢结构的焊接属于厚板多层多道焊的范畴，本文根 据中铁隧道装备制造有限公司加工刀盘时所采用的二氧化碳气体保护焊的焊接 工艺和特点，选用双椭球形热源模型。 双椭球热源模型前半部分椭球的体热流密度分布函数为： m 烘小血a b c l t t , q 石唧+ 吾+ 割 4 ， 双椭球热源模型后半部分椭球的体热流密度分布函数为： 小班加器唧k + 吾+ 割 晓5 ， 上述式子中，z ，五：分别为前、后椭球的体热流密度分布系数，z + 五= 2 ； q ：热源模型的总功率；口，b ，q ，c 2 ：热源形状参数( 唧) 。双椭球形热源 模型的热能分布图如下图所示： 图2 1 5 双椭球热源模型 2 5本章小结 本章主要介绍和讨论了焊接过程有限元仿真模拟分析所用到的有限元理 论，并对本文仿真分析用到的a n s y s 有限元软件中有关热分析以及结构分析 所用到的技术进行部分的讨论和概括。通过对刀盘在实际工作中的受力情况进 行有限元仿真分析，确定了刀盘在实际工作中受到的最大应力以及最大应力产 生的位置( 这些位置往往存在于刀盘钢结构的焊缝上以及焊缝周围) ，即刀盘典 2 刀盘典型焊接部位有限元模型的建立 型部位。按照刀盘典型部位的结构建立更为细化的有限元模型，在模型中体现 出与实际情况相符的多层、多道焊缝的模型。从模型的简化、单元类型、网格 划分等方面讨论了在保证模型合理、运算结果收敛而且正确的前提下提高运算 效率的方法。列出了制造刀盘所采用的q 3 4 5 材料的一些热物理性能参数，列 举出了焊接过程有限元仿真模拟分析中常用的几种热源模型并讨论了每种热源 模型适用的范围，并选取双椭球热源模型作为本文焊接过程有限元模拟分析所 需要的热源模型。 2 l 3 刀盘典型部位焊接过程温度场模拟分析 3 刀盘典型部位焊接过程温度场模拟分析 焊接过程温度场有限元模拟分析是进行后续焊接应力、应变分析的前提。 模型中各个节点的温度值是根据能量守恒定律通过与能量传递相关的热平衡方 程，用有限元的方法迭代计算