ANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用

2013-06-07  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

作者: 張洪才    來源: e-works
關(guān)鍵字: CAE 焊接 ansys 模擬 

本文建立了薄板焊接有限元模型,采用高斯熱源并利用ansys軟件對焊接過程做了模擬。計算表明,焊接后的最大的殘余應(yīng)力分布在焊縫處,這為實際的焊接過程控制提供了一定的指導(dǎo)。

1 引言
焊接結(jié)構(gòu)一個很明顯的特點是有較大的焊接應(yīng)力和變形。由于焊接生產(chǎn)中,絕大部分焊接方法都采用局部加熱,所以不可避免地將產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力和變形不但可能引起熱裂紋、冷裂紋、脆性斷裂等工藝缺陷,而且在一定條件下將影響結(jié)構(gòu)的承載能力,如強度,剛度和受壓穩(wěn)定性。除此以外還將影響到結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸穩(wěn)定性。以往,對焊接溫度場、應(yīng)力和變形的分析都是通過實驗的方法測量并采集數(shù)據(jù),進行定量的分析。由于受實驗各方面的限制,所得數(shù)據(jù)的精確度并不高而且浪費大量的人力、物力和時間。雖然這類問題可通過解析方法,求解某些特定的微分方程組來進行定量計算,然而,只有在十分簡單的情況下并且作許多簡化的假設(shè),才有可能求得這些方程閉和的解析解。而實際的焊接問題多種多樣,邊界條件十分復(fù)雜,用解析方法來求解這類微分方程是十分困難的。在高速電子計算機發(fā)展的今天,大多采用數(shù)值模擬的方法。因此,在設(shè)計和施工時充分考慮焊接應(yīng)力和變形這一特點是十分重要的??梢?對焊接應(yīng)力和變形進行計算和分析有很重要的現(xiàn)實意義。
本文針對低碳鋼薄板焊接時,應(yīng)用高斯分布熱源模型,建立了三維薄板堆焊的溫度場有限元數(shù)值分析模型,并以此為基礎(chǔ)考慮了材料的非線性采用熱彈塑性有限單元法,得到了薄板的焊接過程的瞬態(tài)溫度場、瞬態(tài)熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力。
2 焊接模擬相關(guān)理論
2.1 非線性熱傳導(dǎo)分析的基本原理
焊接是一個局部快速加熱到高溫,并隨后快速冷卻的過程。隨著熱源的移動,整個焊件的溫度隨時間和空間急劇變化,材料的熱物理性能也隨溫度劇烈變化,同時還存在熔化和相變時的潛熱現(xiàn)象。因此,焊接溫度場分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。
    非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題的控制方程為:  

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式中:  c為材料比熱容;         (2)
式中: 為傳導(dǎo)矩陣,包含熱系數(shù)、對流系數(shù)及輻射和形狀系數(shù);
    [K]為比熱矩陣,考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加;
    [C]為節(jié)點溫度向量;
    [T]為溫度對時間的導(dǎo)數(shù);
    [T]為節(jié)點熱流率向量,包括熱生成;
    {Q}因為焊接過程中材料熱性能隨溫度變化,如K(T),C(T)等;邊界條件隨溫度變化,如h(T)等;含有非線性單元;考慮輻射傳熱;非線性熱分析的熱平衡方程為:
        (3)
2.3 焊接應(yīng)力和變形的分析理論
由于高度集中的瞬時熱輸入,在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接應(yīng)力和變形。焊接應(yīng)力和變形計算是以焊接溫度場的分析為基礎(chǔ),同時考慮焊接區(qū)組織轉(zhuǎn)變對應(yīng)力應(yīng)變場帶來的影響。熱彈塑性分析是在焊接熱循環(huán)過程中通過一步步跟蹤熱應(yīng)變行為來計算熱應(yīng)力和應(yīng)變的,該方法需要采用有限元計算方法在計算機上實現(xiàn)采用這種方法可以詳盡地掌握焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生及發(fā)展過程。隨著大型有限元軟件的開發(fā)并取得了良好的效果,這種方法被越來越多的學(xué)者采用。本文也是基于此理論,借助于有限元軟件在計算機上實現(xiàn)對焊接應(yīng)力和變形的模擬研究的。
2.3.1 熱彈塑性分析的特點和假定
熱彈塑性問題是一個熱力學(xué)問題。作為熱力學(xué)系統(tǒng)的焊接材料,其自由能密度不僅與應(yīng)變有關(guān),而且還與溫度有關(guān)。也就是說,力學(xué)平衡方程中有與溫度有關(guān)的項。從能量上看,輸入的熱能在使焊接材料溫度上升的同時,還由于結(jié)構(gòu)的膨脹變形做功而消耗一部分。這時,在熱傳導(dǎo)平衡方程中,要增加與應(yīng)力有關(guān)的項。因此,嚴(yán)格的說,溫度場與應(yīng)力場是相互藕合的。這從圖3-1和圖3-2能很清楚的看到。不過這種禍合效果除個別特殊情況外,一般都很小,而且焊縫附近的溫度變化很大,材料的各種物理性能也相應(yīng)變化很大,這種影響與上述耦合效應(yīng)相比要大得多。所以就焊接的熱彈塑性而言,取非禍合的應(yīng)力場和溫度場是合適的。
在熱彈塑性分析時有如下一些假定:
(1)材料的屈服服從米賽斯(Von Mises)屈服準(zhǔn)則;
(2)塑性區(qū)內(nèi)的行為服從塑性流動準(zhǔn)則和強化準(zhǔn)則;
(3)彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變與溫度應(yīng)變是不可分的;
(4)與溫度有關(guān)的力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變在微小的時間增量內(nèi)線性變化。
2.3.2  屈服準(zhǔn)則
屈服準(zhǔn)則是一個可以用來與單軸測試的屈服應(yīng)力相比較的應(yīng)力狀態(tài)的標(biāo)量表示。因此,知道了應(yīng)力狀態(tài)和屈服準(zhǔn)則,程序就能確定是否有塑性應(yīng)變產(chǎn)生。在多軸應(yīng)力狀態(tài)下,屈服準(zhǔn)則可以用下式來表示:
ANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 +培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片3        (4)
其中        (5)
其中:        (6)
其中:        (7)
式中:ANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 +培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片7        (8)
這種熱源模型在用有限元分析方法計算焊接溫度場時應(yīng)用較多。在電弧挺度較小、對熔池沖擊力較小的情況下,運用這種模型能得到較準(zhǔn)確的計算結(jié)果。
2.5 潛熱處理
焊接過程中,母材熔化時,由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài),要吸收能量,反之熔池凝固時由液態(tài)變成固態(tài),要放出熱量,所以在計算溫度場時,要考慮熔池相變潛熱對溫度場的影響。否則計算結(jié)果會有較大偏差。對于固態(tài)相變,由于其潛熱一般比固液相變潛熱小很多,通常將其忽略。但在高強鋼焊接時必須考慮其影響。ANSYS在考慮潛熱時引入焓,其數(shù)學(xué)表達式:
ANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 +培訓(xùn)案例相關(guān)圖片圖片8        (9)
3 建立模型和求解
模型尺寸為100×100×6,電弧在鋼板中間沿直線運動,因此在計算時去模型的一半進行研究。其有限元模型如圖1。本文采用間接法計算薄板的熱應(yīng)力問題,使用solid70進行熱計算,使用solid45進行應(yīng)力計算。為了保證計算精度在靠近焊縫10mm處采用加密網(wǎng)格,網(wǎng)格大小控制在1mm,在遠離焊縫處采用較疏的網(wǎng)格。

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1 2


為了研究焊接過程中,薄板的溫度場和應(yīng)力場變化的規(guī)律,本文選取了圖2所示的8個考察點1到4點為焊縫中心的點;5到8點為到焊縫一定距離的點。
焊接參數(shù)如下:
電弧電壓U=15V;焊接電流I=1580A;焊接速度v=10m/s;焊接熱效率

其熱計算和應(yīng)力計算結(jié)果如下:

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3 0.2s4 5s ANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 +培訓(xùn)資料圖片14ANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 +培訓(xùn)資料圖片15

5 10s6 20s


圖3到圖8給出了不同時刻的溫度場云圖,從圖中可以看出焊接時間為10s,冷卻時間為990s。在焊接過程中,焊接中心溫度最高達到2100度,焊接完畢后溫度從熱源中心迅速向?qū)c擴散,最高溫度迅速下降,在20s時刻最高溫度僅為270度左右,在500s時刻最高溫度僅有48度,而且最高溫度和最低溫度相差僅1度說明薄板的溫度場迅速達到一致。

本文建立了薄板焊接有限元模型,采用高斯熱源并利用ansys軟件對焊接過程做了模擬。計算表明,焊接后的最大的殘余應(yīng)力分布在焊縫處,這為實際的焊接過程控制提供了一定的指導(dǎo)。

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7 500s8 1000sANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 +培訓(xùn)資料圖片18ANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 +培訓(xùn)資料圖片19

9 1-410 1-411 5-812  5-8


  圖9到12給出了8個考察點溫度隨時間 變化的規(guī)律,由圖9可以看出2點和3點在熱源到來時溫度迅速升高,而當(dāng)熱源離開后又迅速下降。從圖10可以看出,焊縫中心處在100s時刻基本達到各處溫度相同,并且隨時間以相等速度下降。由圖11和圖12可知:在離焊縫一定距離處的四個點在前10s內(nèi)都是穩(wěn)定升溫,直到大約20s左右才開始下降并且下降速度小于焊縫處的四個點這也是符合實際規(guī)律的。

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13 0.2s14 5sANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 +培訓(xùn)資料圖片21ANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 +培訓(xùn)資料圖片22

15 10s16 20sANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 +培訓(xùn)資料圖片23ANSYS殘余應(yīng)力分析應(yīng)用 有限元分析培訓(xùn)課程圖片24

17 500s18 1000s


  圖13到圖18給出了不同時刻薄板的熱應(yīng)力云圖,由圖13可知,在焊接開始時最大的熱應(yīng)力發(fā)生在熱源處,從圖14可知在焊接過程中的由于熱源中心處的溫度超過了金屬溶點因此此處的應(yīng)力為0即為溶池。這一定也是符合實際的。從圖21和22可以看出,最后的殘余應(yīng)力的分布規(guī)律為焊縫出最大,兩個角點最小,并且從焊縫到一邊呈下降趨勢。

圖19到圖22給出了8個考察點熱應(yīng)力與時間的關(guān)系圖。由圖19可知:焊縫處的四個點的熱應(yīng)力隨時間變化都比較劇烈,尤其是2、3和4點處更是大起大落,在焊接結(jié)束后,焊縫處的熱應(yīng)力繼續(xù)升高,直到一個穩(wěn)定值并且這個穩(wěn)定值四個點基本相同。從圖21和22可以看出,5到8點在焊接過程中除了5點的熱應(yīng)力變化波動大,其他三個點都是升高趨勢,在焊接結(jié)束后,四個點的熱應(yīng)力都在下降,且8點下降的最為明顯。

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21 5-822 5-8


4 結(jié)論
由以上分析和計算可得出以下結(jié)論:
    (1)使用ansys可以很好的模擬焊接這個復(fù)雜的過程。
    (2)在焊接過程中最高溫度隨熱源不斷移動,且和熱源的速度有一定的關(guān)系。
    (3)殘余的應(yīng)力在焊縫處最大,這對實際工程是不利的,因此在實際工程中要加以控制。


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