1、1焊缝焊接收缩量的 ANSYS 仿真分析摘要：现代焊接技术趋于完善，对焊接变形的数值已有很多经验公式计算，但是都是实测数据，环境不一样，焊接收缩就不一样。本文运用 ANSYS 的热分析功能对焊接的收缩进行仿真。该仿真存在的难点是热结构耦合、单元生死、材料的弹塑性、APDL 参数化设计。 关键词：焊缝焊接 收缩量 ANSYS 中图分类号: P755.1 文献标识码： A 文章编号： 第一步：输入材料特性，建立模型，设定焊接速度，计算热源值。 输入材料特性； 本计算模型采用 Q345qD 钢材的材料特性，设初始温度为室温 25，且材料密度不变化。材料密度设为 7.85103 Kg/m3，热膨胀系数
2、为1.7510-5，初始弹性模量为 E=2.01011Mpa，泊松比 0.25，初始导热系数为 18.6W/m?，比热容设为 502J/（Kg?） ，初始热焓值6.13109，这些材料特性随温度变化而变化，如下表 1、2、3 所示： 表 1：钢材弹模与温度的关系 表 2：钢材导热系数、比热与温度的关系 2表 3：钢材热焓值与温度的关系 由于材料会进入塑性变形区，采用多线性随动强化和双线性随动强化两种方式定义材料在温度变化情况下的特性。随着温度的升高，钢材的应力-应变曲线越来越平缓，即钢材的强度变低。 建立模型； 钢板对接和 T 接的模型建立比较简单，鉴于需要分析的钢板板厚较多，所以采用参数化设
3、计，方便修改模型。定义的变量仅有板厚。对接模型采用单边 V 形坡口，钝边固定为 2mm，坡口角度 60。单元类型先采用 SOLID70 进行热分析。 设定焊接速度； 按照焊接经验，焊接速度取 5mm/s，即热源移动速度为 5mm/s。 计算热源值； 本模型假设热源与时间成反比例，即热源 hetg=a/t，其中 a 与焓值、密度、温度相关。 考虑到实际施焊时，焊完一道有足够时间让母材冷却，本模型假设冷却 30 分钟，母材温度降至室温。假设熔池温度达到 1650，设 H 为1650的焓值，T 为温差，t 正在进行的这道焊热源离开某单元的时间， 表示钢材密度，则 hetg=HT/t 该热源曲线与常用
4、的高斯分布热源曲线较接近。 3第二步：焊接开始，进入焊接循环； 运用 APDL 编制焊接循环命令流。第一道焊完后删除边界条件、激活已焊好单元，约束未焊好单元、耦合母材与熔池金属节点。删除原热源，给当前荷载步中激活的单元施加热源。在模型外表面施加对流边界条件。求解，求解完后焊接第二道，重新开始循环。比较得到所有单元在焊接过程中所经历的最高平均节点温度，更改参考温度，施加位移边界条件和温度荷载。 第三步：应力求解 在温度场求解完成后，进入应力求解阶段。温度场分析时，在所有外表面施加对流边界条件，伴随着焊接的进行，母材缺口处逐渐被焊料填满，被焊料填满的区域已不是外表面，故边界条件是不断变化的。考虑环
5、境温度为 25 摄氏度。对接接头分 8 道焊完，焊接速度为 5mm/s，焊接线能量输入取 34KJ/cm。采用对称施焊顺序，每一道焊缝又根据焊接速度分为若干荷载步，每个荷载步激活(通过单元生死实现)一组单元，并在该组单元施加热流率体荷载。应力求解部分在计算机内部运用有限元法完成。 第四步：后处理 采用 APDL 语言编制后处理程序，一一比较两侧位置相对的两个节点之间的相对位移，并从中求得最大值。通过变化板厚进行有限元分析，可以看出在焊接条件一样的时候，焊缝收缩量与焊缝横断面积是成正比例关系： 4焊缝横截面积与横向收缩量回归曲线 焊缝横截面积与纵向收缩量回归曲线 由以上回归曲线得出 Y 形对接每
6、米焊缝横向收缩量 y=0.0035x-0.0187 每米纵向收缩量 y=0.0108x+0.5252 式中 x 表示焊缝横截面积： t板厚 d钝边 R余高半径(设 R=2.5t) 则焊缝面积 x 计算式如下： 由上式可得出变形量与板厚、钝边的关系接近二次抛物线变形量。 T 形焊缝收缩量：本文仅仿真 T 形接头双面角焊缝的焊接收缩。焊接参数设置为：电流 650A,电压 30V，焊接速度 34cm/min，综合起来即焊接线能量取 34KJ/cm。底板采用 1m1m40mm 钢板，竖板采用0.5m1m16/24mm 钢板。T 形双面角焊缝与对接焊缝计算的区别在于：1、T 形焊缝双面角焊缝每个角焊缝均采用一道焊完。 2、T 形双面角焊缝焊接时候未全熔透，即计算时竖板与底板焊后边 界未融合，而对接焊缝全部融和。 竖板为 16mmT 形接头各个方向的收缩位移云图如下所示： 5T 形接头底板横向收缩位移云图 T 形接头纵向收缩位移云图 T 形接头竖板收缩量 由上表看出，板厚增加情况下，若角焊缝焊高不变，焊接的收缩量变小，这一点与经验得出的结果一致。 将以上处理结果与经验公式结果作对比，再结合经验值。三者相差不大，说明 ANSYS 分析在焊接方面的应用基本可行。另外由于本仿真过程未考虑辐射的影响，所以焊接收缩量相对于经验公式计算结果来说偏大。
