（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）船体分段焊接变形有限元模拟研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 船体分段焊接变形的精确预测，对提高焊接质量和生产效率具有重要 的工程实际意义。固有应变等效载荷法是近年来发展的预测焊接变形的重 要方法。本文研究了一种基于固有应变等效载荷法的预测船体分段焊接变 形的方法，并将预报结果与船体分段结构焊接实测数据进行了对比分析， 完成的主要工作如下： 1 对焊接温度场的模拟采用双椭球热源，通过对比原模拟结果，验证了 该方法的可行性 2 通过对船体的一典型分段进行约束度计算，总结了该分段约束度的 分布规律，并拟合成公式 3 按照分段的结构形式、焊接规范，进行焊接温度场的模拟，通过两 次单位载荷有限元分析，得出实测结构的约束度分布。 4 利用最高温度分布和约束度分布计算出固有应变的分布，然后积分 得到等效载荷的分布。 5 把所得到的等效载荷施加到有限元模型上，得出船体分段焊接变形， 并与实测数据进行比较，分析误差原因。 关键词：焊接变形；温度场；双椭球热源；约束度；固有应变；等效载荷 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r e c i s ep r e d i c t i o no fw e l d i n gd e f o r m a t i o n so fs h i ph u l lb l o c k sc a r l i m p r o v ew e l d i n gq u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fp r o d u c t i o n ，i t i sw o r t h w h i l ei n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h ee q u i v a l e n tl o a dm e t h o db a s e do nt h ei n h e r e n ts t r a i ni s ad e v e l o p e dp r e d i c t i o nm e t h o dt h e s ey e a r s t h em e t h o dt op r e d i c tt h ew e l d i n g d e f o r m a t i o n so fs h i ph u l lb l o c k sb a s e do nt h ee q u i v a l e n tl o a dm e t h o di ss t u d i e d i nt h i st h e s i s ，t h e nc o n t r a s tt h er e s u l t t ht h ed a t am e a s u r e da tt h es c e n e ，t h e m a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 t a k et h ed o u b l ee l l i p s o i d a ld i s t r i b u t i o nh e a ts o u r c e st os i m u l a t ew e l d i n g t e m p e r a t u r ef i e l d ，c o n t r a s tw i t ht h ed a t ah a v eg o t t e n ，v a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h i sm e t h o d 2 c a l c u l a t et h ed e g r e eo fr e s t r a i n to fat y p eo fs h i ph u l lb l o c k s ，g e tt h el a wo f d i s t r i b u t i o n ，a n df i tag o o de x p r e s s i o n s 3 f o l l o wt h er u l eo fs t r u c t u r ea n dw e l d i n g ，s i m u l a t et h ew e l d i n gt e m p e r a t u r e f i e l d ，g e tt h ec o n s t r a i n td i s t r i b u t i o n sd e g r e eo fs h i ph u l lb l o c k sw h i c hi s o b t a i n e db yt w i c ee q u i v a l e n tl o a df e a 4 i n h e r e n ts t r a i nd i s t r i b u t i o ni sc a l c u l m e db yt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r e sa n d d e g r e e so fc o n s t r a i n t ，t h ee q u i v a l e n tl o a di so b t m n e db yi n t e g r a lo fi n h e r e n t s t r a i n 5 l o a dt h ee q u i v a l e n tl o a d st ot h ef e am o d e l ，t h e ng e td e f o r m a t i o no ft h e s h i ph u l lb l o c k s c o n t r a s tw i t ht h ed a t am e a s u r e d a tt h es c e n e ，a n a l y z et h er e a s o n o fe r r o r k e y w ords ：w e l d i n g d e f o r m a t i o n ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；d o u b l ee l l i p s o i d a l d i s t r i b u t i o nh e a ts o u r c e s ；d e g r e eo fr e s t r a i n t ；i n h e r e n ts t r a i n ； e q u i v a l e n tl o a d ； 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：便入哥彘 日期：勿矿夕年月日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( - 签- 7 - ) ：起嵇导师( - 签- 7 - ) ：下瓣 日期：伊哆年f ，月舌曰 少乍t 月气日 、一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 概述 第1 章绪论 目前国内外造船厂建造的各种大型船舶，都是利用分段焊接建造而成的。 分段建造是把船体分为数十个分段，通过小、大规模的分段工序制造之后， 在船台上合拢各分段。船体分段是通过连接板构件的对接焊和连接板构件和 加筋板的角接焊加工而成的。各焊接过程必然引起焊接变形，而随着焊接过 程变形也将持续累积，制成的分段肯定与开始的设计图纸有一定的出入，所 以必须用火焰加热法进行变形矫正。此工序是占造船时间1 3 的重要工序， 所以分段形状和尺寸的准确性与造船效率有密切的关系。精确预测和控制焊 接变形更成为世界现代造船工艺的重要要求。随着现代造船技术的不断发展， 世界各主要造船企业在2 0 世纪9 0 年代中期己普遍完成现代化改造。在此基 础上又陆续启动了新一轮的现代化改造计划，投资目标集中于高新技术，其 投资力度进一步加大，大量采用全新的造船焊接工艺流程，有力地保证了这 些造船大国具有竞争中的技术优势。其中，尤其以世界主要造船大国日本 和韩国最为突出，他们研究和开发了大量的全新焊接工艺，不但提高了焊接 质量和使外形更美观，而且保证了装配中的无余量装配。这些新技术的应用， 使得造船质量提高，生产成本降低，大大提高了造船竞争力 2 1 。 船体焊接中常用的电弧焊是一个不均匀的、以一定速度移动的加热和冷 却过程。在此过程中，在不同的瞬时，有些点有着不同的温度分布，即不同 的焊接热循环。这种情况使物体产生热胀冷缩这一简单的物理现象，在被焊 的结构中，产生了复杂的热力学过程：在构件截面上出现了弹性区、弹塑性 区、塑性区。由于在加热过程中有塑性的压缩变形，因此，在焊接过程终了 温度恢复到原来的温度时，结构中产生了焊接应力，同时结构的形状及尺寸 也发生了畸变，即焊接变形p l 。 焊接余量通常是通过经验、实验及实测资料给出的。经验公式往往仅是 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一两个参数的函数，而实验也只是针对很简单的小构件，很难预测由多种构 件组成的复杂分段变形量。为了提高造船效率，必须在设计阶段预测出分段 制造过程中所出现的焊接变形，在制造分段的每一阶段进行焊接变形分析， 且在生产中将使分段的变形量最小的确切的焊接余量赋予进去。因此，需要 给出能够在分段制造过程中预测焊接变形的分析方法，且在设计阶段赋予相 应于各分段最终变形的准确余量。 综上所述，船体分段焊接变形预测与控制技术的研究和开发，对提高焊 接质量和生产效率，从而提高经济效益很有必要，对增强我国造船行业在世 界竞争中的技术优势具有重要的现实和长远意义。 1 2 焊接变形研究现状 目前有多种焊接变形和应力的分析方法，综合起来可以分为如下几种： 实验法，解析法，数值分析法，等效载荷法等。 1 实验法 2 0 世纪3 0 年代的焊接变形研究是以实验和经验来导出各类焊接变形模 型的。由于实验总是受到时间和成本的限制，所以实验法只能用于估算简单 结构的特定变形。 2 解析法 用解析法研究焊接变形始于2 0 世纪5 0 年代，是基于经典弹性理论的研 究，忽略热弹塑性过程。解析法只考虑了残余塑性应变，并假设所有区域( 包 括固有应变区) 都保持弹性。这种方法把焊接构件与固有应变分布以数学方 式理想化，这正暴露了解析法的缺点，因此解析法有较低的应用价值，但是 为之后出现的数值分析法和等效载荷法打下了重要的基础。 3 数值分析法 自2 0 世纪8 0 年代初国内的西安交通大学和上海交通大学等就开始了关 于焊接热弹一塑性理论及在数值分析方面的研究工作。西安交通大学与沪东造 船厂合作对单面焊终端裂纹的产生机理和防止进行了实验和数值研究，取得 哈尔滨工程大学硕士学位论文 了显著成效。上海交通大学在1 9 8 5 年出版了“数值分析在焊接中的应用”专 著，对当时国内外的研究成果作了介绍。上海交大的陈楚和汪建华等在焊接 变形预测理论和数值模拟技术方面做了大量的研究工作，汪建华还提出了用 残余塑性应变有限元法预测焊接变形的方法【4 5 】。哈工大的武传松、田锡唐等 也进行了关于焊接热弹一塑性理论及数值分析方面的研究工作 6 1 。航空制造工 程研究所的关桥院士在焊接变形预测与控制方面进行了深入的探讨阴，并在 薄壁焊接结构低应力无变形控制技术方面取得诸多研究成果。近年来清华大 学、天津大学也进行了焊接力学过程的数值模拟m 。 该法可以解决复杂焊接结构的变形和应力问题，但需要高性能的计算机 和极为耗时的运算，因此对大型实际结构的焊接过程进行精确模拟是不可行 的，难以在实际生产中应用。 4 等效载荷法 等效载荷法是用弹性理论来分析焊接变形时对结构所加的载荷。根据载 荷的计算方法可分为实验等效载荷法与固有应变等效载荷法。 固有应变可以看成是内应力的产生源。焊接结束以后固有应变就是塑性 应变、热应变和相变应变三者残余量之和。当焊接低碳钢等材料不考虑相变 影响时，固有应变就是残余的热应变和塑性应变之和。若假定无坡口焊缝经 受加热过程，由于加热和冷却的热应抵消为零，那么完全冷却后焊缝处存在 残余压缩塑性应变。固有应变存在于焊缝及其附近，固有应变的大小和分布 就决定了最终的残余变形。固有应变有限元法是一种既能解决大型复杂结构， 又比较经济实用的预测焊接变形的方法，能够直接解决工程实际问题，有很 好的实用意义和发展前途【1 0 1 。 固有应变等效载荷法是求出焊接点附近存在的固有应变，且把得到的数 据在焊接断面上进行积分来求出等效载荷，进而应用有限元技术进行分析， 求得整个结构的焊接变形的方法。u e d a 等发展了基于线弹性有限元的固有应 变模型甜。在此基础上，m u r a k a w a 等通过分析固有应变的产生机制，认为 固有应变主要是由焊缝各点的最高到达温度和约束度决定的【1 3 】。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 。3 焊接变形 1 3 。1 焊接变形的种类 1 按变形的基本形式可分为纵向变形、横向变形、角变形、弯曲变形、 扭曲变形、波浪变形等几种。 2 结构的残余变形可分为局部变形和整体变形。 ( 1 ) 局部变形焊接引起构件某一部分发生的变形。主要包括角变形和 波浪变形两种。局部变形对结构影响较小，也较易矫正，如图1 1 所示。 ( 2 ) 整体变形由于焊接引起的结构整体发生形状和尺寸的变化即为整 体变形。主要有横向变形、纵向变形、弯曲变形、扭曲变形等，如图1 1 所 不。 纵向收缩 寝囱收绱 姆麴爱彤浚浪变形 眺五n 嗡萨a g 蠹匹曼舀n 【j 奄玺萝奄 图1 1 焊接变形种类 1 3 2 产生焊接变形的原因 焊接过程是一个不均匀的加热过程，在焊缝区金属受到电弧局部强烈的 加热，达到熔化温度，邻近熔池的金属也达到很高温度，离电弧较远处的金 属温度明显较低，而远离电弧的金属则未受到加热，此时，焊缝金属与靠近 哈尔滨工程大学硕士学位论文 焊缝的钢板受热而膨胀，内外伸张，四周未被加热的钢板阻止其膨胀，由此 产生压缩应力。金属材料在温度达到6 0 0 以上时，它的屈服强度只有常温 下的1 1 0 左右；温度达到8 0 0 以上时，金属的屈服强度接近于零。由此， 焊缝及其附近受热的金属，当其压缩应力超过屈服强度时，则产生压缩性的 塑性变形，这时焊缝金属屈服强度为零，结构的内应力消失，但压缩的塑性 变形是不能恢复的，冷却后仍保持下来。在焊接冷却阶段，原来被加热的部 分，从压缩的塑性变形状态下开始收缩，由于温度的下降，这部分金属的力 学性能逐渐恢复到原来性能，而其收缩又受到四周钢板的阻碍，使被加热部 分产生拉力，未被加热部分受到压应力，结构内部又出现了应力和变形1 1 4 1 。 在焊接过程中的热应变、塑性应变是产生焊接变形和应力的原因。通常 在低碳钢焊接时，相变发生在弹性丧失温度以上，对焊接变形影响较小，往 往予以忽略。但在低合金高强钢焊接时，固态相变常发生在弹性丧失温度以 下，必须考虑相变时体积膨胀引起的应变。因此热应变、塑性应变和相变应 变都是焊接变形产生的根源【1 5 】。 影响焊接变形的因素很多，往往是综合作用，主要包括以下几个方面： 1 焊接结构的装配顺序。 2 焊接结构的刚性和几何尺寸。 3 焊缝在结构中布置的不对称，是造成焊接结构弯曲变形的主要因素。 4 焊缝在结构中的位置，焊接工艺，焊接方法，材料特性等。 1 4 本文的主要工作 鉴于以上论述，本课题拟在现有成果基础上对温度场进行改善，约束度 进行简化，提出一套精度较高且实用的预报和控制焊接分段纵向收缩、横向 收缩和角变形的方法，以适应复杂多样的船体平板分段焊接情况。主要内容 以及拟采用的方法如下： 1 对温度场模拟进行改善 温度场的模拟，对等效载荷有直接影响，因此，温度场的准确程度，对 与 啥尔滨工程大学硕士学位论文 焊接变形的准确性有很大影响。通过建立双椭球型热源模型模拟温度场，与 高斯热源模型结果进行比较，从而选择与实际温度场更为接近的有限元模拟 方式。 2 约束度的简化 取一段典型的船体焊接结构进行研究，通过对该结构在不同条件下进行 多次计算，找出约束度的存在规律，并且简化计算方法。 3 实测数据与计算值比较 以原有调研的一些实测数据为依据，对实验进行模拟计算，对比实测结 果与计算值，分析并总结焊接变形规律，从而使该计算模型能够更接近实际 情况。 4 对上述工作进行整理，总结 整理以上工作成果，提出一套精度较高且实用的预报和控制焊接分段纵 向收缩、横向收缩和角变形的方法，以适应复杂多样的船体平板分段焊接情 况。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章焊接温度场 电弧焊是船体建造中最常用的焊接方法，它利用热能高度集中的电弧作 为热源进行焊接，集中的热输入可使母材和焊接部位的填充金属熔化，所以 电弧焊是一个不均匀加热和冷却的过程，焊件各点的温度分布也不相同，并 随着时间而不断变化。这正是引起残余应力和焊接变形的根源。某一瞬时各 点的温度可用温度场来描述。影响焊接温度场的因素有：焊接热源强度、焊 件材料的热物理性能、焊接工艺参数、焊接接头形式及板厚等m 】。 本章主要根据实际结构，对结构进行简化，分析焊接中的热传导问题， 并用有限元方法进行数值模拟得到平板堆焊、角接焊的温度场分布，并与文 献结果进行对比，验证新方法的可行性。 2 2 焊接温度场介绍 2 2 1 定义 焊接时，焊件上各点的温度分布是不均匀的，并且随时间而不断地发生 变化，但这种变化是有一定规律的。我们把某一瞬时焊件上的各点的温度分 布状态称为焊接温度场。可用下式表示： t = f ( x ，y ，z ，f ) ( 2 1 ) 式中：r 焊件上某点某瞬时的温度： x ，y ，z 焊件上某点空间坐标；，时间。 2 2 2 特点 焊接热过程是一个热的传递过程，涉及到焊接热源、焊接温度场、焊接 传热的基本规律、焊接材料的热物理性能及焊接热循环等方面，它具有以下 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 几个特点： 1 ) 焊接热过程的局部性； 2 ) 焊接热过程的瞬时性； 3 ) 焊接热过程的不稳定性。 2 3 焊接热源模型简介 2 3 1 热源模型的种类 焊接时，电弧热源把热能传给焊件是通过一定的作用面积进行的，这个 面积称为加热斑点m 。加热斑点上热量分布是不均匀的，中心多而边缘少。 费里德曼将加热斑点上热流密度的分布近似地用高斯数学模型来描述，如图 2 1 。离热源中心距离厂的地点的热量的分布式如下： q ( r ) = q m 戤e x p ( 一2 ) ( 2 2 ) g 咿= ，g ( r ) ，- d s d r = 7 7 玎 ( 2 3 ) g 一= 上g 咿 ( 2 4 ) 式中g 够【 为热源的有效热功率，y ) m m z 为热源的集中系数，r 表示圆 形热源内某点与中心的距离，也表示带状热源内某点在横向与中心线的距离。 热量分布的集中系数，表明热源集中的程度，即高斯分布曲线的宽度。 柚 图2 1 高斯函数分布的热流密度 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对于高能束焊接如激光焊、电子束焊等，必须考虑其电弧穿透作用。在 这种情况下半球状热源模型比较合适。半球状热源分布函数为： g ( ，) = 羔e x p ( - 3 刍 ( 2 _ 5 ) 这种分布函数也有一定局限性，因为在实践中，熔池在激光焊等情况下 不是球对称的，为了改进这种模式，人们提出了椭球型热源模型。 椭球形热源分布函数可表示为： g ( ，) = 害篙笔e x p ( - 3 ( 唼) 2 + 呼) 2 + ( 三) 2 ) ) ( 2 6 ) 式中：a 、b 、c 为半轴长。 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万，后半部分椭球能量分数为 ，且i + f 2 = 2 ，则在前半部分椭球内热源分布为： 如) = 嬲e x p ( - 3 ( 2 + ( 挣) ( 2 _ 7 ) 在后半部分椭球内热源分布为： g ( ，) = 荔6 , f 3 f 2 云qe x p ( - 3 ( ( ( 2 + ( 却 ( 2 - 8 ) 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。其中f l = o 6 ， f 2 = 1 4 。 图2 2 双椭球热源结构及能量分布 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 2 热源模型的特征 焊接热源是实现焊接过程的基本条件，由于焊接热源的局部集中热输入， 致使焊件存在十分不均匀、不稳定的温度场，进而导致焊接过程中和焊后出 现较大的焊接应力和变形。基于热传导基本公式的温度场计算需要一些反映 材料的热物理性质的参数，包括导热系数，比热容，密度，综合考虑热对流 和热辐射带来热损失的换热系数等，这些系数是温度场的特征值，在焊接过 程中这些特征值均随温度而变化d s ，而在研究温度场时应区分材料的特征值 中随温度变化的瞬时值和在一定温度范围内的平均值。前者更适合于有限元 分析，后者可供函数解析求解。本专题利用有限元求解算例时，所选参数随 温度变化特征如表2 1 所示。 表2 1 低碳钢随温度变化的材料性能参数表 温度t( o c )2 02 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 01 3 0 0 1 4 8 22 2 2 7 密度p ( k g m 3 )7 8 2 07 7 4 07 7 1 07 6 5 07 6 2 07 5 8 07 5 0 07 2 0 07 2 0 0 比热容c 4 6 0 0 4 9 1 7 5 5 7 86 6 7 1 1 1 0 8 6 2 6 46 3 7 96 4 5 56 4 5 5 ( j k g o c ) 导热系数五 5 0 o 5 1 1 4 4 43 9 4 3 1 82 6 42 9 71 0 51 0 5 ( 了m s c c o c ) 换热系数办。 1 o o1 5 01 - 7 01 8 61 9 82 0 92 2 22 2 9 2 3 2 ( j m2 s e c 。c ) 2 3 3 选取热源模型 焊接热源模型是否选取适当，对焊接温度场和应力变形的模拟计算精度， 特别是在靠近热源的地方，会有很大的影响。采用有限元和有限差分法，应 用高斯分布的表面热源分布函数计算，可以引入材料性能的非线性，可进一 步提高高温区的准确性，但仍未考虑电弧挺度对熔池的影响。从球状、椭球 到双椭球热源模型，每一种方案都比前一种更准确，但也伴随着计算量的增 哈尔滨工程大学硕士学位论文 加，使这些热源分布函数更利于应用有限元法或差分法在计算机上进行计算， 而且实践也证明能得出较满意的模拟结果。对于通常的焊接方法如手工电弧 焊、钨极氢弧焊，采用高斯分布的函数就可以得到较满意的结果。对于电弧 冲力效应较大的焊接方法，如熔化极氢弧焊和激光焊，常采用双椭球形分布 函数。为求准确，还可将热源分成两部分，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。 论文以单层角焊和平板堆焊为研究对象，利用双椭球热源对以前用高斯 函数模拟过的模型【1 9 t 2 0 l 进行重新模拟。比较两种模拟结果，选择更为接近实际 温度的模拟方式。 2 4 焊接温度场有限元模拟介绍 a n s y s 热分析分为稳态热分析和瞬态热分析两种。焊接温度场分析以及 引起的应力场分析都属于高度的非线性瞬态分析过程。下面对焊接温度场的 计算加以介绍：1 2 0 t 2 1 2 2 2 2 2 ，】 ( 1 ) 几何模型 几何模型的形状不仅由焊件的形状、尺寸大小决定，还取决于载荷施加 的方式及热源在焊件内的传导方式。对于堆焊，厚度方向温度场分布不均匀， 需建立三维模型。对于对称、反对称或轴对称焊件结构，建模时，尽量运用 其对称性来简化模型。 ( 2 ) 单元类型 a n s y s 单元库中有1 0 0 多种类型。本文采用s o l i d 7 0 作为热分析的单元； 当进行结构分析时转为s h e l l 6 3 。 ( 3 ) 材料属性 在结构分析中，必须输入材料的弹性模量、泊松比、密度等，在热分析 中材料属性主要包括：导热系数、比热、热焓、换热系数等。由于焊接温度 场的模拟计算属于非线性瞬态热分析，所以必须给出这些热物理性能参数随 温度变化的数值。此外，焊接过程中存在两种相变潜热：固态相变潜热和熔 哈尔滨工程大学硕士学位论文 化潜热。由于前者一般比后者小得多，通常可以忽略。关于熔化潜热的处理， a n s y s 中在定义材料属性时通过给定热焓的值加以考虑。 ( 4 ) 网格划分 王长利1 2 4 研究了焊缝及热影响区附近三种不同网格尺寸( 1 m m 、2 m m 、3 m m ) 对温度场的影响，并与解析解进行比较，得出了定量的结果，要想获得良好 的瞬时温度场，焊缝区网格大小要在2 m m 以下。网格太小，虽然精度提高了， 却要付出较长的计算机时为代价。鉴于此，本文温度场计算时，焊缝附近细 化区单元的大小取为2 m m 以提高计算精度，远离焊接点的区域单元大小为1 0 m m 以减小计算规模，中间采用疏密过渡。 ( 5 ) 载荷施加和求解 热分析的载荷主要有温度、对流、热流密度和生热率。本文研究的平板 堆焊和角接焊情况，都以热流率的形式施加。 ( 6 ) 设定载荷步 在非线性分析中，每一个载荷步需要多个子步，在热分析中，根据线性 传导热传递，可以按下面的公式估计初始步长： i t s = 万4 口( 2 9 ) 式中，万沿热流方向热梯度最大处的单元长度； 口导热系数，口= 见c p 。 ( 7 ) 边界条件的设置 在加载表面生成表面效应单元，热流率加在焊件节点上，对流作为边界 条件加在表面效应单元上。 ( 8 ) 热源的移动 沿焊接方向将焊缝长度l 分为n 段，将各段的后点作为热源中心，加载 双椭球分布的热源，每段加载后进行计算，每一个载荷的加载时间为l n 。 当进行到下一段加载计算时，须消除上一段所加的双椭球热流率，而且上一 次加载计算的温度值作为下一段加载的初始值。如此依次循环即可模拟热源 的移动，实现焊接瞬态温度场的计算。 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 25 焊接温度场分析实例 251 平板堆焊算例一 1 模型介绍 选取如图2 3 所示平板堆焊结构，沿z 轴堆置焊道，由于平板结构及热源 分布的对称性，取板的一半建立有限元分析模型，如图2 4 所示。 选用材料为q 2 3 5 低碳钢，材料属性设置为随温度变化的量，其具体数据 采用表2 1 的值。 图2 3 平板堆焊计算模型 本算例舯呼板尺寸为：4 0 0 衄4 0 0 唧, n t 6 m m ，使用电弧焊连续焊接，其 焊接工艺参数为：焊接电流i = 2 2 0 a 、焊接电压u = 2 7 v 、焊接速度v = 5 m m s ， 焊接热效率玎= 07 ，有效加热半径r = l o m m ，焊接室温89 。c 。 黔 隰鼾飘霹眇9 图2 4 有限元模型 2 载荷和边界条件的施加 由于模型只取了一半，两边的载荷情况相同，所以在对称面上没有对流 换热。施加的载荷见图2 5 。 焊接材料的初始温度设为环境温度8 9 。c ，即为温度分析的初始条件。 啥尔滨工程大学硕士学位论文 图2 j 对流换热边界 3 数值模拟结果 当焊接速度为v = 5 m m s 时，焊接热源从焊缝一端移到另一端需要8 0 秒 的时间，在整个焊接过程中，随着热源的移动，各点温度不断变化。焊接剐 开始时，温度场分布急剧改变如图2 6 所示，其中图2 6 ( a ) 是计算墨，图2 6 ( b ) 是红外热像仪拍得的实验图，其焊接时间是2 9 5 7 s ，短短的时间间隔，焊件 最高温度就已升高到2 2 1 2 。c ，经过一段时间后，平板上出现了准稳定温度场， 温度场中心点以固定的速度跟随热源移动，以中心点为中心的等温线也以相 同的形状随热源移动，且热源中心前部的等温线很密集，热源中心后部的等 温线较稀疏，如图27 ( a ) ，2 8 ( a ) ，2 9 ( a ) 所示，各图依次是焊接时间为 3 s ，2 0 s ，4 0 s ，5 0 s 时的焊件上的温度场分布，其最高温度非常接近分别为2 1 8 4 ，2 2 0 8 ( 2 ，2 2 0 8 ( 2 ，2 2 0 8 c ，分别与由红外热像仪得到的实验结果图27 ( b ) ， 28 ( b ) 2 9 ( b ) 吻合良好，如表22 所示。直到接近焊缝边缘时，又出现随 时l 埘改变的温度场分布。观察整个焊接过程可知，在焊缝的长度足够长时， 焊接中的温度分布处于准稳态状态，而在焊缝起始部分产生向准稳态状态迁 移现象，在焊缝终端部分由于板构件被截断，温度分布将发生变化。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 j i 。j1 ，o +jv o i - 1 “t 图2 7 ( b ) 焊接实验结果( t = 2 0 s ) 图2 8c a ) 温度场分布图( t = 4 0 s )图2 8 ( b ) 焊接实验结果( t = 4 0 s ) 图2 9 ( a ) 温度场分卸图( t = 5 0 s )图29 ( b ) 焊接实验结果( t = 5 0 s ) 表22 两种热源模拟平扳堆焊的计算结果对比 。c 时间 s 32 04 05 0 文献 1 9 的结果 2 2 1 2 2 3 0 02 3 1 02 3 1 0 本文计算结果 2 1 8 42 2 0 82 2 0 82 2 0 8 红外热像仪结果2 2 1 682 2 1 682 2 1 68 2 1 9 56 文献 1 9 的误差02 38 42 52 本文的误差l5 04 04 04 4 准稳态温度场分析 整个焊接过程中，焊件上的各个点都经历了温度升高再降低的变化，除 去焊缝的两端效应，因温度场的准稳态特点，垂直焊缝的各横剖面上的各点 的温度变化曲线是相似的。取距离始焊端2 0 0 m m 处的横剖面来研究。沿着板 横剖面的上表面，距离焊缝中，t 30 ，2 ，4 ，6 ，1 0 ，2 0 ，4 0 ，9 0 m m 处取各点， 温度变化如图2 【0 所示，自上而下依次为0 2 ，4 ，6 ，1 0 ，2 0 ，4 0 ，9 0 m r n 。 各个点的温度经历了先从低到高升温，达到最大值后，再从高到低冷却的循 环过程，而且升温速度明显大于冷却速度，剖面上表面各点在几乎相同的时 哈尔滨工程大学硕士学位论文 间达到各自的最大值后，逐渐冷却趋近于某一值。距离焊缝中心越远，所能 达到的最大值越小。 取距离始焊端2 0 0 r a m 和3 0 0 r a m 、距离焊缝4 m m 处沿厚度方向分别取距离 上表面0 ，4 ，8 ，1 2 ，1 6 r a m 的点进行分析得到的变化曲线如图2 1 1 、2 1 2 所示，自上而下的顺序为o ，4 ，8 ，1 2 ，1 6 r a m 的点的温度变化。由图2 1 1 、 2 1 2 可以看出，两个剖面的温度曲线完全一致，只是时间有差异。在同一横 剖面上，沿板的厚度方向，各层单元并不是同一时刻都达到各自的最高温度， 距热源经过的表面越近，越先达到最高温度，即下层滞后上层。随着板厚的 变化，达到的最高温度逐渐降低。 从整个焊件上看，随着焊接热源的移动，平行于焊缝方向线上的点依次 达到最大值，选取焊缝中心线纵剖面来研究，在平板表面上取距焊接始焊端 分别为9 8 r a m ，1 9 8 r a m ，2 9 8 m m 的点，其温度变化如图2 1 3 所示。由图2 1 3 可见，各点都经历了升温冷却的过程，其热循环规律是一样的，所达到的最 高温度值也是一样的，只是热循环达到最大值的时间不同，这是由热源移动 的速度决定的。 综上所述，用双椭球热源模拟堆焊焊接热源可以得到比较理想的结果。 研究准稳态温度场各点在焊接过程中所达到的最高温度时，用一个横剖面上 各点的最高温度分布就能代替整个焊件上各点的最高温度分布。 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 。距离焊轾o m 卜 一一距离焊轾2 m j i一距离焊缝4 m j 1距离焊缝6 m l 距离焊缝l o m m i m 一 距离焊缝2 0 m ji 距离焊缝4 0 m y、里壹! 墼印m 图21 0 横剖面上各点热循环图 图2 1 l 厚度方向上各点热循环图 图2 1 2 厚度方向上各点热循环图 图2 1 3 平行焊缝上的点温度变化曲线 蝴 m 蛳 栅 | 毫 蛳 啪 枷 栅 埘 o 9vl np一； 252 平板堆焊算例二 1 模型介绍 平皈堆焊算例选取如图21 4 所示平板堆焊结构，沿f 轴堆置焊道。由于 平板结构及热源分布的对称性，取板的一半建立有限元分析模型，如图2 1 5 所示。 图2 1 4 实际模型简图国21 5 平板堆焊有限元模型 本算例引自文献1 2 0 l ，平板尺寸为：2 0 0 h m 2 0 0 r a m x 4 m m 。使用电弧焊连续 焊接，其焊接工艺参数为：焊接电流i = 1 3 0 a 、焊接电压u = 1 2 v 、焊接速度为 v = 3 5 7 m m s ，焊接热效率r l = 0 7 5 ，有效加热半径取r = l o m m ，焊接室温 2 0 。c 。 网格大小的选取原则、材料及其属性设置、载荷施加及边界条件的确定 均与平板堆焊模型一相同，不再赘述。 2 数值模拟结果 该平板堆焊分析实例，整体温度场随时间的变化如图21 6 2 2 1 所示， 分别为t = 2 s ，t = 7 s ，t = 1 8 s ，t = 3 0 s ，t = 4 0 s ，t = 5 6 s 时的温度分布云图，其中左侧 为双椭球热源模型模拟结果，右侧为以前用高斯热源模型模拟的结果。两者 之间的温度最高值对比由表2 3 给出。 图2 1 6t = 2 s 时的温度分布 ：0 3 ：，尸 严m 2 ：“ l ! 盖至五茎匠三e ! u 图2 1 7t = t s 时的温度分布 图2 1 9t = 3 0 s 时的温度分布 图2 2 lt = 5 6 s 时的温度分稚 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 3 两种热源模拟的计算结果对比 o c 时间 s 2 7 1 83 04 05 6 文献 2 0 的结果1 1 2 31 5 7 51 6 1 81 5 9 61 6 0 51 6 5 5 本文计算结果 1 4 4 61 6 0 41 6 1 61 6 1 61 6 1 61 7 3 2 红外测温仪实测结果1 6 2 9 61 6 2 9 61 6 2 9 6 文献 2 0 的误差o 7 2 1 1 5 本文的误差0 8 o 8 o 8 由于焊接速度为v = 3 5 7 m m s 时，焊接热源从始焊端移动到止焊端需 5 6 s ，焊接过程中，随着热源的移动，各点温度不断变化。焊接刚开始时，温 度场分布急剧改变，如图2 1 6 所示，其焊接时间是2 秒，短短2 秒的时间间 隔，焊件最高温度就己升高到1 4 4 6 ，经过一段时间后，平板上出现了准稳 定温度场，温度场中心点以固定的速度跟随热源移动，以热源点为中心的等 温线也以相同的形状随热源移动，且热源中心前部的等温线很密集，热源中 心后部的等温线较稀疏。图示几个时刻的最高温度均为1 6 1 6 。c 。直到接近止 焊端时，又出现随时间改变的温度场分布，如图2 2 1 所示，其焊接时间为 5 6 秒时最高温度为1 7 3 2 。观察整个焊接过程可知，在焊缝的长度足够长时， 焊接中的温度分布处于准稳态状态。通过表2 3 可以看出本论文所采用的热 源模型模拟的最高温度比较稳定、合理，其误差保持在0 8 。 通过对以上两个平板堆焊算例计算结果的分析，可以看出用双椭球热源 模型模拟平板堆焊可以得到比较理想的结果。 2 5 3 加筋板角接焊有限元分析算例一 1 模型介绍 选取如图2 2 2 所示的加筋板结构，沿x 轴焊接加筋板，由于对称，温度 分布分析模拟了一半。图2 2 3 是有限元模型，由母材面板和加筋板纵骨组成。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 2 2 角接焊计算模型 本算例i 。i 面板尺寸为：3 0 0 m m x3 0 0 m m 1 6 m m ，纵骨尺寸为：3 0 0 a m 1 5 0 m x 1 6 m m 。使用电弧焊进行双面连续焊接，其焊接工艺参数为：焊接电流 1 - - 2 3 0 a 、焊接电压u = 2 7 v 、焊接速度v = 5 m m s ，焊接热效率r l = 0 8 5 ，面板 有效加热半径为r ，= 1 6 r a m ，纵骨有效加热半径为r = 1 2 m m ，焊接室温 89 0 c 。 图2 2 3 热传导分析的有限元模型 2 载荷和边界条件的施加 热源模型仍采用双椭球模型，在面板和加强筋的焊角处分别施加。 边界条件的设置除对称面绝热外，其他与空气接触的面上都有对流换热。 初始温度和焊接过程的环境温度设为8 9 。c 。热分析的时间步长设定为0 1 s 。 i i 一一习 3 数值模拟结果 图2 2 4 对流换热边界 哈尔滨工程大学硕士学位论文 本算例焊接热源从焊缝一端移到另一端需要6 0 秒的时间，经过一段时间 后，面板和纵骨上都出现了准稳定温度场，温度场中心点以周定的速度跟随 热源移动，在面板和纵骨上的等温线也以相同的形状随热源移动，分别如图 2 2 5 ，图2 2 6 ，图2 2 7 ，图22 8 所示，各图依次是焊接时间为4 s ，1 0 s ， 2 0 s ，3 0 s 时的焊件上的温度场分布，其最高温度非常接近，分别为1 6 8 8 c ， 1 7 0 4 c ，1 7 0 5 ，1 7 0 5 。c 。面板和纵骨上的等温线近似为封闭的椭圆形，在 热源前方密集，后方稀疏，等温线以热源移动线为对称轴对称分布。从计算 结果可以看出，当焊缝长度足够长时，在与焊缝垂直的断面上分布的温度在 全长度范围内基本上是不变的。其中各个( a ) 图是数值计算的结果，( b ) 图是 相同时刻由红外热像仪拍得的实验结果。两者在误差范围内是吻合的，比较 结果如表2 4 所示。 nh 图2 2 5 ( a ) 温度场分布图( t = 4 s ) 图2 2 5 ( b ) 焊接实验结果( t = 4 s ) n 图2 2 6 ( a ) 温度场分布图( t = 1 0 s ) 图22 6 ( b ) 焊接实验结果( t = l o s ) 鉴玺鋈士垒尘尘鎏圭：王鎏吝 图2 2 7 ( a ) 温度场分布图( z = 2 0 s )图22 7 ( b ) 焊接实验结果( t = 2 0 s ) 图22 8 ( a ) 温度场分布图( t = 3 0 )图2 2 8 ( b ) 焊接实验结果( t = 3 0 s ) 表2 4 两种热源模拟角接焊的计算结果对比 时间sl o2 03 0 文献 1 9 的结果1 8 8 l 1 8 9 8l8 8 11 8 9 9 本文的结果1 6 8 81 7 0 4l7 0 5 1 7 0 5 红外热像仪结果1 4 7 661 6 1 301 6 4 2o1 7 0 36 文献 1 9 j 的误差2 74 177 1 46 1 15 本文的误差1 43 56 38 o0 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由表2 4 可以看出，本次的计算结果与试验值的误差小于以前的误差， 当t = 3 0 s 时，温度趋于准稳态，其误差接近于0 ，拟合效果很完美。 4 准稳态温度场分析 整个焊接过程中，焊件上的各个点都经历了温度升高再降低的变化，除 去焊缝的两端效应，因温度场的准稳态特点，垂直焊缝的各横剖面上的各点 的温度变化曲线是相似的。取距离始焊端1 5 0 m m 处的横剖面来研究。沿着板 横剖面的上表面，距离焊缝中心2 ，4 ，6 ，1 2 ，5 8 m m 处取各点，温度变化如 图2 2 9 所示，自上而下依次为2 ，4 ，6 ，1 2 ，5 8 r a m 。各个点的温度经历了 先从低到高升温，达到最大值后，再从高到低冷却的循环过程，而且升温速 度明显大于冷却速度，剖面上表面各点达到各自最大值的时间随距离增加稍 有延迟，达到最大后逐渐冷却趋近于某一值。距离焊缝中心越远，所能达到 的最大值越小。 取距离始焊端1 5 0 m m 和2 5 0 m m 、距离焊缝2 r a m 处沿厚度方向分别取距离 上表面2 ，6 ，1 0 ，1 2 ，1 6 r a m 的点进行分析得到的变化曲线如图2 3 0 、2 3 1 所示，自上而下的顺序为2 ，6 ，1 0 ，1 2 ，1 6 r a m 的点的温度变化。由图2 3 0 、 2 _ 3 1 可以看出，两个剖面的温度曲线完全一致，只是时间有差异。在同一横 剖面上，沿板的厚度方向，各层单元并不是同一时刻都达到各自的最高温度， 距热源经过的表面越近，越先达到最高温度