LF6铝合金薄板平面内环焊缝焊接应力与变形的数值模拟.pdf

1、第 25 卷 第 4 期2 0 0 4 年 8 月焊 接 学 报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVOI.25 NO.4August 2 0 0 4LF6 铝 合 金 薄 板 平 面 内 环 焊 缝 焊 接 应 力与 变 形 的 数 值 模 拟方 洪 渊 ， 王 霄 腾 ， 范 成 磊 ， 杨 建 国（ 哈 尔 滨 工 业 大 学 现 代 焊 接 生 产 技 术 国 家 重 点 实 验 室 ， 哈 尔 滨 l5000l）摘 要 ： 从 力 学 角 度 出 发 ， 以 LF6 铝 合 金 薄 板 平 面 内 环 焊 缝 的 焊 接 为 例

2、， 对 其 焊 接 残 余应 力 和 变 形 的 特 点 进 行 了 探 讨 。 采 用 非 线 性 有 限 元 技 术 ， 对 常 规 焊 接 条 件 下 温 度 场 和应 力 场 进 行 了 模 拟 ， 结 合 弹 性 稳 定 性 理 论 对 环 焊 缝 焊 接 产 生 的 特 殊 变 形 规 律 进 行 了 研究 。 数 值 模 拟 结 果 表 明 ， 在 环 焊 缝 焊 接 过 程 中 形 成 了 与 常 规 对 接 焊 完 全 不 同 的 焊 接 热循 环 过 程 ， 残 余 应 力 状 态 复 杂 ； 焊 缝 外 侧 的 压 应 力 超 过 了 失 稳 变 形 极 限 ， 造 成

3、了 铝 合 金薄 板 的 失 稳 变 形 。关 键 词 ： 焊 接 残 余 应 力 ； 失 稳 变 形 ； 有 限 元 方 法中 图 分 类 号 ： TG404 文 献 标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 0253 -360X（ 2004） 04 -73 -04方 洪 渊0 序 言平 面 内 环 形 焊 接 结 构 作 为 一 种 复 杂 结 构 在 航 空航 天 和 压 力 容 器 中 有 着 广 泛 的 应 用 。 在 这 种 结 构 的焊 接 过 程 中 ， 由 于 焊 接 热 循 环 和 大 的 拘 束 度 共 同 作用 ， 致 使 焊 接 结 构 残 余 应 力 的 分 布 和

4、大 小 与 常 规 对接 焊 缝 大 不 相 同 。 因 此 对 环 形 结 构 的 焊 接 进 行 数 值模 拟 和 分 析 也 日 益 受 到 人 们 的 重 视 。 在 焊 接 数 值 模拟 方 面 也 有 很 多 人 针 对 平 面 内 环 焊 缝 进 行 了 研 究 和分 析 l 4。 但 对 于 焊 接 环 焊 缝 数 值 模 拟 工 作 的 重 点还 是 在 利 用 简 化 的 平 面 应 力 模 型 进 行 计 算 分 析 ， 更复 杂 的 三 维 数 值 模 拟 仍 停 留 在 探 索 阶 段 ， 尤 其 是 对于 易 于 产 生 大 的 失 稳 变 形 的 薄 板 和 薄

5、壳 结 构 而 言 ，如 何 分 析 其 变 形 和 应 力 的 特 点 仍 是 一 个 有 待 解 决 的问 题 。作 者 针 对 LF6 铝 合 金 平 面 内 环 焊 缝 焊 接 问 题采 用 商 用 非 线 性 有 限 元 软 件 MSC. Marc 进 行 了 三维 热 弹 塑 性 有 限 元 分 析 ， 并 针 对 上 文 提 到 的 问 题 提出 了 相 应 的 解 决 方 案 。 采 用 弹 性 稳 定 性 理 论 对 薄 板焊 接 变 形 进 行 了 预 测 和 分 析 ， 并 利 用 有 限 元 软 件 对变 形 进 行 进 一 步 的 模 拟 。l 平 面 环 焊 缝 有

6、 限 元 模 型 的 建 立1.1 有 限 元 模 型 的 建 立在 内 孔 半 径 !l=37.5 mm， 外 圆 半 径 !3=收 稿 日 期 ： 2003 -06 -03l50 mm， 厚 度 2 mm 的 圆 环 形 LF6 铝 合 金 薄 板 上 沿半 径 !2=80 mm 进 行 环 形 堆 焊 ， 焊 接 速 度 5 mm/ s，焊 接 电 流 l27 A， 电 弧 电 压 l6 V， 基 本 几 何 模 型 如图 la 所 示 。图 1 环 焊 缝 的 几 何 模 型 和 网 格 划 分Fig.1 Geometry of circular weld and adaptive m

7、esh74 焊 接 学 报 第 25 卷由 于 焊 接 过 程 是 个 高 度 集 中 热 源 的 移 动 过 程 ，导 致 在 焊 缝 处 的 极 大 的 温 度 梯 度 ， 需 要 密 集 的 单 元网 格 来 拟 合 ； 而 在 远 离 焊 缝 区 域 ， 温 度 梯 度 不 是 很 剧烈 ， 这 时 过 密 的 网 格 不 仅 对 精 度 的 提 高 没 有 帮 助 ， 反而 会 增 加 不 必 要 的 计 算 时 间 。 为 了 节 约 分 析 的 成 本和 计 算 时 间 ， 采 取 了 网 格 自 适 应 划 分 的 新 技 术 来 对焊 接 过 程 进 行 模 拟 。 初 始

8、网 格 划 分 如 图 1 所 示 。 选取 的 划 分 准 则 为 温 度 梯 度 准 则 ， 当 单 元 的 温 度 梯 度gel大 于 给 定 的 温 度 梯 度 判 据 flgmax的 时 候 对 单 元 进 行两 级 细 分 ， 在 x、 y、 z 三 个 方 向 上 各 划 分 为 22= 4 分 ，f1为 应 力 误 差 系 数 。 这 种 细 分 技 术 动 态 将 大 量 细 分得 到 的 网 格 分 配 给 了 热 源 移 动 过 的 地 方 ， 而 温 度 梯度 较 小 的 地 方 则 保 持 较 疏 的 网 格 密 度 ， 这 样 可 以 提高 数 值 模 拟 的 效

9、率 和 精 度 。建 立 的 有 限 元 模 型 如 图 1b 所 示 ， 基 本 单 元 为 8节 点 6 面 体 单 元 。 采 用 固 定 时 间 步 求 解 ， 焊 接 时 间100 S， 每 个 时 间 步 0. 5 S； 焊 后 冷 却 250 S， 每 个 时 间步 1 S。 初 始 单 元 数 为 720， 模 拟 结 束 时 的 单 元 数 为2 197。1.2 材 料 性 能材 料 的 物 理 性 能 参 数 和 力 学 性 能 参 数 是 温 度 场数 值 模 拟 过 程 中 最 重 要 的 物 理 量 ， 其 选 取 的 正 确 与否 ， 对 模 拟 结 果 的 准 确

10、 起 决 定 性 的 作 用 。 研 究 所 采用 的 参 数 部 分 引 用 了 文 献 5 的 数 据 ， 如 图 2 所 示 ，通 过 低 温 参 数 曲 线 予 以 适 当 的 外 推 得 出 高 温 参 数 。图 2 LF6 铝 合 金 的 材 料 性 能 参 数Fig.2 Material properties of weld metal1.3 热 源 和 边 界 条 件 的 定 义焊 接 数 值 模 拟 中 常 用 的 高 斯 热 源 虽 然 能 够 描 述表 面 热 流 的 形 式 ， 但 是 对 于 厚 度 方 向 上 的 热 源 形 状只 能 靠 材 料 本 身 的 导 热

11、 来 获 得 。 因 此 高 斯 热 源 的 定义 在 三 维 热 传 导 分 析 中 会 带 来 不 必 要 的 误 差 。 解 决这 一 问 题 的 有 效 方 法 是 采 用 Goldak 提 出 的 双 椭 球热 源 模 型 6， 可 获 得 更 满 意 的 结 果 。前 半 部 分 椭 球 模 型 定 义 为g（ x， y， z， t） =!6 3ff0a6c1 !( )! !e-3（ x/ a）2e-3（ y/ 6）2e-3（ z/ c1）2，后 半 部 分 椭 球 模 型 定 义 为g（ x， y， z， t） =!6 3fb0a6c2 !( )! !e-3（ x/ a）2e-3

12、（ y/ 6）2e-3（ z/ c2）2，式 中 ： a、 6 分 别 是 椭 球 模 型 的 x、 y 半 轴 长 度 ； c1、 c2分别 是 前 后 椭 球 体 z 向 的 半 轴 长 度 ； ff、 fb是 热 源 集 中系 数 ， ff+ fb=1； 0 是 热 输 入 量 ， 0 = !UI（ ! 是 电 弧 的热 效 率 ） 。温 度 边 界 条 件 施 加 对 流 边 界 条 件 和 辐 射 边 界 条件 ， 位 移 边 界 条 件 定 义 起 弧 端 的 Ux、 Uy、 Uz方 向 上 的位 移 约 束 。2 数 值 模 拟 结 果 与 分 析2.1 环 焊 缝 焊 接 温

13、度 场 计 算 结 果图 3a 为 焊 接 进 入 准 稳 态 时 的 温 度 场 ， 显 然 温 度场 的 分 布 不 是 轴 对 称 的 ， 在 焊 接 过 程 中 ， 同 一 时 刻 熔合 线 两 侧 的 温 度 并 不 相 同 。 内 侧 的 温 度 要 高 于 外侧 ， 这 种 温 度 场 的 不 对 称 性 是 由 于 散 热 边 界 条 件 不同 所 引 起 的 。图 3b 为 在 1 - 1 截 面 上 的 焊 接 热 循 环 ， 考 察450 个 增 量 步 内 距 圆 心 50 mm、 80 mm（ 熔 池 ） 、150 mm 处 的 温 度 可 以 看 到 随 距 熔 合

14、 线 距 离 的 增 加 ，温 度 曲 线 变 化 逐 渐 缓 和 。 由 于 收 弧 端 与 起 弧 端 位 置的 重 叠 ， 二 次 加 热 后 的 热 量 传 导 到 1 - 1 截 面 ， 使 其温 度 分 布 在 第 200 个 增 量 步 的 时 候 有 个 较 小 的 峰值 。 环 焊 缝 起 弧 和 收 弧 位 置 的 重 叠 使 得 该 位 置 上 的温 度 变 化 过 程 如 图 3c 所 示 ， 从 图 中 可 以 看 到 这 一 位置 明 显 的 两 次 温 度 循 环 。 收 弧 端 由 于 电 弧 的 作 用 ，经 历 了 二 次 加 热 。2.2 残 余 应 力

15、的 计 算 结 果图 4a、 b 分 别 为 径 向 残 余 应 力 与 周 向 焊 接 残 余应 力 的 分 布 云 图 ， 图 4c 为 1 - 1 截 面 处 径 向 和 周 向残 余 应 力 的 分 布 。 可 以 看 到 ， 在 焊 缝 处 径 向 和 周 向残 余 应 力 为 拉 应 力 ， 而 且 达 到 100 Mpa 以 上 。 在 焊缝 外 侧 的 区 域 径 向 残 余 应 力 为 拉 应 力 且 随 着 半 径 的增 大 应 力 值 趋 向 于 零 ， 周 向 残 余 应 力 为 压 应 力 而 且数 值 达 到 -60 Mpa。2.3 薄 板 焊 接 的 压 曲 失

16、稳 变 形 分 析薄 板 结 构 主 要 承 受 两 种 载 荷 ， 作 用 在 中 面 内 的第 4 期 方 洪 渊 ， 等 ： LF6 铝 合 金 薄 板 平 面 内 环 焊 缝 焊 接 应 力 与 变 形 的 数 值 模 拟 75 图 3 环 焊 缝 焊 接 温 度 场 分 布Fig.3 Distribution of temperature field拉 、 压 或 者 剪 力 ， 总 称 为 中 面 力 ； 和 垂 直 于 中 面 的 横向 力 。 对 于 中 面 力 可 以 认 为 其 沿 板 厚 均 匀 分 布 ， 故可 以 用 弹 性 力 学 中 的 平 面 问 题 进 行 计

17、 算 。 横 向 力 使薄 板 发 生 弯 曲 变 形 ， 故 对 横 向 力 的 研 究 一 般 简 化 为薄 板 弯 曲 问 题 。 根 据 弹 性 力 学 理 论 ， 如 果 中 面 载 荷引 起 的 中 面 力 在 某 些 部 位 、 某 些 方 位 的 载 荷 超 过 特定 临 界 载 荷 时 ， 薄 板 的 平 面 平 衡 状 态 将 成 为 不 稳 定的 ， 产 生 压 曲 失 稳 变 形 7。 对 于 作 者 所 研 究 的 薄 板环 焊 缝 焊 接 失 稳 变 形 问 题 ， 限 于 篇 幅 ， 仅 就 外 边 界 简支 的 情 况 进 行 讨 论 。图 4 环 焊 缝 的

18、残 余 应 力 分 布Fig.4 Residual stress distribution of circular weld假 设 中 心 开 孔 的 圆 形 薄 板 ， 其 内 径 为 !i， 外 径为 !O， 失 稳 后 薄 板 的 变 形 不 是 轴 对 称 的 ， 并 且 其 环向 围 线 具 有 两 个 波 。 将 焊 缝 产 生 的 径 向 收 缩 力 作 为载 荷 8， 可 知 焊 缝 外 侧 周 向 受 压 缩 作 用 。 根 据 推 导可 以 得 到 圆 环 板 的 周 向 临 界 失 稳 压 应 力 表 达 式 ， 即!cr= -“（ l +!2O!2i）（ !2O- !2

19、i）# ，76 焊 接 学 报 第 25 卷式 中 ： k 为 与 圆 环 内 外 径 相 关 的 系 数 ， 由 内 径 与 外 径的 比 值 确 定 ； D 为 薄 板 的 弯 曲 刚 度 ， 即D =Eh212（ 1 - !2），式 中 ： E 为 杨 氏 模 量 ； h 为 板 厚 ； ! 为 泊 松 比 。将 内 环 和 外 环 半 径 板 厚 ， k 值 （ 本 例 中 取 3 9）以 及 杨 氏 模 量 和 泊 松 比 代 入 可 得 临 界 失 稳 应 力 的 数值 为 -52 Mpa。 根 据 应 力 数 值 模 拟 结 果 ， 可 以 看 到峰 值 应 力 大 于 临 界

20、失 稳 应 力 值 。 因 此 薄 板 将 产 生 失稳 变 形 ， 变 形 后 薄 板 的 环 向 围 线 上 形 成 两 个 波 。 数值 模 拟 的 结 果 也 预 测 出 这 种 变 形 的 存 在 （ 图 5） 。图 5 焊 接 后 的 失 稳 变 形 （ 放 大 3 倍 ）Fig.5 Buckle deformation after welding（ magnified 3 times） 3 结 论（ 1） 模 拟 结 果 显 示 ， 在 焊 接 过 程 中 ， 同 一 时 刻 熔合 线 两 侧 的 温 度 场 不 对 称 。 内 侧 的 温 度 要 高 于 外侧 ， 整 体 结

21、构 上 的 温 度 场 的 分 布 也 不 对 称 ， 起 弧 与 收弧 时 的 热 源 重 叠 形 成 了 与 常 规 对 接 焊 完 全 不 同 的 焊接 热 循 环 过 程 。（ 2） 环 焊 缝 内 侧 ， 径 向 和 周 向 残 余 应 力 为 拉 应力 ， 而 且 峰 值 达 到 100 Mpa 以 上 ； 在 焊 缝 外 侧 ， 周 向应 力 从 拉 应 力 状 态 转 为 压 应 力 ， 峰 值 达 到 - 60Mpa。（ 3） 根 据 弹 性 力 学 假 设 ， 预 测 了 薄 板 焊 接 可 能产 生 的 压 曲 失 稳 变 形 ， 对 环 形 板 临 界 失 稳 压 应

22、力 进行 了 推 导 ； 变 形 后 薄 板 的 环 向 围 线 上 形 成 两 个 波 。数 值 模 拟 的 结 果 预 测 了 这 种 变 形 的 存 在 。参 考 文 献 ： 1 Jones B K， Emery A F ， Marburger S I. An anaiyticai and experi-mentai study of the effects of weiding parameters on fusion weids J . Weiding Journai， 1993， 72（ 2） ： 51 -59. 2 Kim Y C， Garatani K. Restraint s

23、tress and strain in circuiar patchweids J . Transactions of JWRI， 1994， 23（ 1） ： 85 -92. 3 Brown S B， Song H. Impiications of three-dimensionai numericaisimui - ations of weiding of iarge structures J . Weiding Journai，1992， 71（ 2） ： 55s -56s. 4 Teng T-L， Chang p-H， Ko H-C， et al. Finite eiement ana

24、iysis ofcircuiar patch weids J . Internationai Journai of pressure Vesseisand piping， 2000， 77（ 11） ： 643 -650. 5 工 程 材 料 实 用 手 册 编 辑 委 员 会 . 工 程 材 料 实 用 手 册 （ 3） M .北 京 ： 中 国 标 准 出 版 社 ， 1989. 36 -46. 6 Goidak J， Chakravarti A， Bibby M. A new finite eiement modeifor weiding heat sources J . Metaiiu

25、rgicai Transactions B， 1984 ，15（ 2） ： 299 -305. 7 徐 芝 纶 . 弹 性 力 学 （ 第 二 版 ） M . 北 京 ： 高 等 教 育 出 版 社 ，1982. 85 -100. 8 拉 达 伊 D. 焊 接 热 效 应 M . 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， 1997.219 -220. 9 铁 摩 辛 科 . 弹 性 稳 定 理 论 M . 北 京 ： 科 学 出 版 社 ， 1985. 414-416.作 者 简 介 ： 方 洪 渊 ， 男 ， 1956 年 出 生 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 。 研 究 方向 为

26、焊 接 力 学 结 构 的 可 靠 性 分 析 ， 发 表 论 文 50 余 篇 。Email： fanghy hit. edu. cnLF6铝合金薄板平面内环焊缝焊接应力与变形的数值模拟作者： 方洪渊， 王霄腾， 范成磊， 杨建国作者单位： 哈尔滨工业大学,现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨,150001刊名： 焊接学报英文刊名： TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION年，卷(期)： 2004,25(4)被引用次数： 4次参考文献(9条)1.铁摩辛科 弹性稳定理论 19852.拉达伊D 焊接热效应 19973.徐芝纶 弹性力学(第二版)

27、 19824.Goldak J;Chakravarti A;Bibby M A new finite element model for welding heat sources 1984(02)5.工程材料实用手册编辑委员会 工程材料实用手册(3) 19896.Teng T-L;Chang P-H;Ko H-C Finite element analysis of circular patch welds外文期刊 2000(11)7.Brown S B;Song H Implications of three-dimensional numerical simul-ations of wel

28、ding of largestructures 1992(02)8.Kim Y C;Garatani K Restraint stress and strain in circular patch welds 1994(01)9.Jones B K;Emery A F;Marburger S I An analytical and experimental study of the effects of weldingparameters on fusion welds 1993(02)引证文献(4条)1.陈玉喜.朱锦洪.石红信.丁高剑 基于ANSYS的铝合金薄板焊接温度场三维有限元模拟期刊论文-热加工工艺2009(9)2.Wang Junheng.Gao Hongming.Zhang Guangjun.Wu Lin Numerical simulation of small section rectangulartube in parallel welding期刊论文-中国焊接 2007(3)3.张银龙.沈庆.陈徐均 焊接铝合金梁的稳定临界荷载计算方法期刊论文-扬州大学学报（自然科学版） 2006(1)4.高军 预热对热轧辊钢试样堆焊温度场和应力场影响的数值模拟学位论文硕士 2006本文链接：http:/