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赵尚超等:焊接接头残余应力数偵模拟
焊接接头残余应力数值模拟
赵尚超,李晓苏,靳丽莉2
(1.大连交通大学土木与安全工程学院,辽宁大连116028;2.广西大学土本建筑工程学院,南宁530004)
【摘要】焊接计算软件盛行,然因其考虑因素不够全面,结果缺乏准确性。本文用有限元分析软件AN
SYS,编程模拟焊接接头的残余应力的大小和分布。模拟结果和试验结果比较吻合,证明了方法的实用价值。最
后以宏文件形式形成程序块内嵌到软件中,便于计算和应用。
【关键词】残余应力;有限元;数值模拟
【中阳分类号】TU391
【文献标识码】B
【文章编号】1001-6864(2012)05-0075-03
COMPUTER SMMULATION OF RESIDUAL STRESS IN WELDING OINT
ZHAO Shang-chao' LI Xi
JIN Li-1i2
(1. School of Civil and Safety Engi. Dalian Jiaotong Univ. Iiaoning Dalian 116028, China
2. College of Civil Engi. and Architecture, Guangxi Uni., Nanning 530004, China)
Abstract: Welding calculation software is widely used. Factors involved in less and then the results
lack accuracy. In this paper, by finite element analysis software NSYS, the size and istribution of resid-
ual stress of welded joints is program simulated. Simulation results and test results are more consistent,
practical value of this method is proved. Finally, the formation block of macro file format is embedded into
the software, to facilitate the calculation and application.
Key words: residual stress; finite element; computer simulation
随着我国机械制造业的迅猛发展,开拓了焊接结
构的应用与设计的新阶段。然而,近年来焊接结构的
破坏时有发生,究其原因是焊接产生的残余应力加剧
结构应力集中,使焊接接头的强度下降。所以准确的
了解焊接残余应力分布形式以便调控残余应力仍是
一个极为重要的课题。传统的试验方法多为破坏
性试验,耗费大量人力、物力。有限元模拟虽然取得
了很大进展,但考虑的因素不够全面,结果不够准确。
图1接头有限元模型图
本文以某型号挖掘机盖板所用钢为试验材料,应
用大型有限元软件 ANSYST,对强度较薄弱部位的对
表1随温度变化的温度场的热物理性能参数
接带墊板接头焊接过程中残余应力进行计算机模拟
温度T/℃
20250500750100015002000
模拟结果与实验结果一致,证明了该方法具有重要的
理论和实际应用价值。
导热系数x10-3
1.1747.5539.428.93035110
实验模型
实验母材为某型号挖掘机的动臂盖板材料,16Mn
密度px10-3
7.8677.7867、7717.6027.5527.2686.9%24
合金钢,有着优良的机械综合性能,是一种具有较好
吕mmn
焊接性的钢种。焊接试样尺寸为200mnx200mx
比热C
10m,垫板尺寸200mx20mmx5mm,坡口角度为
0.45960.53450.6841.1910.550.750.78
J?(g?℃)
60°的V型坡口,焊条类型为MK.J607RH。焊接细部
换热系数Bx10-3
示意图和有限元模型如图1。焊后余高均值为2mmo小e-mn2?ャ-130655210153031
焊缝区有限元网格控制在1mn以下。
低温建筑技术
2012年第5期(总第167期)
表2随溫度変化的应力场的物理性能参数
的间隔时间为10s
温度7/℃20250500750100015002000
焊接温度场为典型非稳态温度场,在焊接的不同
线性膨胀系数a
时刻,其温度分布不同。本文在焊接开始和开始冷却
1.11,221.391.181.341,331,32
x10-/℃
的时间步长较小,随冷却时间增加,步长逐步增大。
弹性模量E
2.051.951.541.030.0750.0450.0025
X10/MP
泊松比y0.270.280.290.2750.270.270.27
2程序设计
不考虑温度场和应力场的橱合影响(应力做功对
温度的影响较小),先进行瞬态热分析,将瞬态热分
析的载荷步结果作为体载荷施加到结构应力分析中
图2一道焊8s的温度场云图
去。采用 ANSYS软件的APDL语言编程实现
2.1物理性能参数
一般随温度变化,焊接时局部加热到很高温度,
物理性能变化很大,若不考虑材料的性能随温度变
化,将会造成较大误差。本文采用比热容突变来考虑
液固相变潜热的影响(在熔点附件给比热一个很大突
变值)。物理性能参数如表1和表2(假设母材和焊缝
金属材料相同)所示。
2.2热源模型
图3二道焊89温度场云图
开破口的焊缝或填角焊缝等,应将热源作为焊缝
单元的内部生热处理,以生热率的形式施加载荷,同
949.776
845.802…
时考虑金属的填充作用,利用生死单元法,逐步将填
763.0
6370.846~
充焊缝转化为生单元参与计算中。有效地热输入量
77.868
转换成单位体积、单位时间的热生成强度:
404.09
391.912
Q=nui/y
298.934
205.956
式中,为电弧热效率;U为焊接电压,V;I为焊接
112.978
电流,A;V为焊缝单元的体积,mm2。
020406080100
DIST
本模型的焊接参数为:焊接电压24V,焊接电流
120A,焊接热效率0.75,焊接速度10m/s。单位载荷
图4一道焊炐缝中心线
不同时刻温度场曲线
步焊接单元的体积为V
V=(3+2xtan(30°)x6+3)x6
1350.371
155.088mmi
856.954
155.08?13.92W/m
510.246
整个求解过程分为加热和冷却两个部分,加热过
486.892
程设定为20s,为简化计算,本文建模时让两道焊的横
240.104
020406080100
截面的面积相同,故每道焊的焊接时间为10s。焊接
DIST