用于板材焊接变形预测的原位等效焊接单元

中国科学E辑:技术科学2008年第38卷第9期:1464~1468用于板材焊接变形预测的原位等效焊接单元曾攀*,高懿,雷丽萍清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室,北京100084*E-mail:[e-mail]收稿日期:2007-06-15;接受日期:2007-12-23国家自然科学基金项目(批准号:59825117)和铁道部科学研究基金项目(批准号:T200408)资助摘要基于焊接接头热影响区以及其材料在拘束条件下热循环残余变形的行为,再引入焊接过程的激活机制,构建用于板材焊接变形预测的原位等效焊接单元,该单元具有焊缝的固有应变原位点、等效尺度、固有变形的弯曲半径(或角度)等特征参数,可以较准确地预测板材焊接过程中的变形;引用已有的薄板对焊变形的试验结果与采用原位等效焊接单元的计算进行验证,取得很好的结果,算例表明:原位等效焊接单元对于焊接结构的变形计算具有效率高、精度好等特点.关键词焊接变形原位等效焊接单元近二十几年来,国内外都对数值模拟技术在焊接中的应用进行了许多研究,取得了不少成果.国际著名学者日本大阪大学的上田幸雄教授,长期从事焊接热弹塑性理论的研究,取得丰硕的成果,创建了“计算焊接力学”这一新兴学科[1],将焊接变形的计算机模拟推向一个崭新的高度,国际上有关焊接数值模拟技术的交流十分活跃.目前预测焊接变形的常用方法主要有残余塑变解析法、三维实体单元和板壳单元固有应变有限元法以及热弹塑性有限元法等[2].相对而言,热弹塑性有限元法应用范围和工程化程度都较低,主要是计算时间较长、效率较低,一个中等规模的算例一般需要40~100h[3,4].焊接过程涉及传热过程、材料在热循环和拘束下的力学行为、接头的几何参数等诸多方面[5~7];本文基于材料在拘束条件下热循环残余变形的行为,再引入焊接过程的激活机制,来构建板材焊接变形预测的原位等效焊接单元(localequivalentweldingelement,LEWE),以获得高效率的焊接变形模拟效果.1原位等效焊接单元的构建首先针对工程上常用的结构钢16Mnq(桥梁用钢),在Gleeble1500D上进行各种拘束条件1464中国科学E辑:技术科学2008年第38卷第9期1465下的热循环力学行为实验,其目的是定量给出材料在不同应力作用下、不同的温度循环下所表现出的应变变化,以较准确地确定出将产生残余塑性应变的热影响区(HAZ)以及其不可恢复的残余应变量.根据16Mnq在焊接过程所经历的热循环过程,我们所考虑的实验温度循环范围分别为25~600℃,25~800℃,25~1000℃,25~1200℃;拘束条件分别为5MPa,10MPa,15MPa,20MPa,25MPa,30MPa,35MPa.所获得的实验曲线族见图1,试样经历了拘束下升温、在最高温短暂保温、释放拘束降温的三阶段过程.可以看出当热循环的最高温度Tmax较低时,若拘束载荷释放带来的回弹效应作用大于降温的收缩热应变效应,最终的残余塑性应变出现正值(图1(a)和(b));当Tmax较高时,最终的残余塑性应变均为负值(图1(c)和(d)).由此得出热循环最高温度Tmax以及拘束载荷与残余应变Wε的对应关系.图116Mnq在各种拘束条件下的热循环力学行为(a)温度循环为25~600℃;(b)温度循环为25~800℃;(c)温度循环为25~1000℃;(d)温度循环为25~1200℃根据焊接热源特征及热输入参数等条件,可通过焊接热影响区截面的热弹塑性有限元分析得出温度分布和应力分布状况,从而按照各区的热循环最高温度Tmax和应力水平对其进行划分.将产生不可恢复塑性应变的区域称为固有变形影响区,结合材料在拘束条件下的热循环力学行为实验得出各细分区域的残余应变值,并进一步得出固有变形影响区的整体固有应变值.对于板材的焊接接头,可以由此确定出焊缝的固有应变等效原位点,进而得到等效尺度曾攀等:用于板材焊接变形预测的原位等效焊接单元1466(宽度);对于板材接头,通过刚度等效的方式,确定出板材焊接接头面内弯矩惯性矩WbZWI;再根据材料的高温循环引起的不可恢复的永久应变,确定出以弯曲角度表现出来的残余变形(弯曲角度Wθ),再通过变形等效的方式分别计算出作用于原位点上的等效弯矩MW;由于焊接工艺将直接影响接头的温度分布和热循环范围,因此,这时的等效弯矩实际上就是综合了焊接工艺、材料在拘束条件下的热循环力学行为、接头几何参数等方面的等效固有应变(以弯曲角度Wθ来表现),对于板材,还可以将它以更简单的弯矩形式来进行表现.基于这样的原理,分别构建了针对平板焊接对接接头、T型接头的LEWE,如图2和3所示.图2平板焊接对接接头原位等效焊接单元原理图3T型接头的原位等效焊接单元原理(a)针对单边初焊的原位等效焊接单元;(b)针对对边二次焊的原位等效焊接单元中国科学E辑:技术科学2008年第38卷第9期1467现有的固有应变板单元方法是通过对焊接结构整体设定横向收缩、纵向收缩、角变形等参数,通过大量焊接实验或者整体热弹塑性有限元求解变形结果,反求出结构整体的固有应变参数.用这种方法需要建立庞大的固有应变数据库,并且只能反求出简单焊接接头的相应参数,对复杂结构中每条焊缝的固有应变却很难获得,并且难以反映结构的动态焊接过程.而原位等效焊接单元是通过焊接热输入参数和材料热拘束实验共同得出固有变形影响区域局部作用的固有应变,进而等效出固有弯矩MW,将等效尺度(宽度)bW上作用的收缩应变和MW共同作用的局部单元应用在焊接过程模拟中.结合单元激活机制,将这种局部单元作用随着焊接过程沿焊缝推进,就能真实地反映复杂焊接结构中各条焊缝的动态作用结果,而不受整体结构本身的限制.2算例考证为考证所构造单元的有效性,引用了一个平板堆焊的实验[3],焊件结构尺寸为2.4×0.24×0.004m3,材料为16Mn,焊接电流290A,焊接电压28V,焊接速度为8.9mm/s,加热中心最大热输入密度为1.7×107J·m−2·s−1,能量集中系数为7300m−2,实测焊接变形曲线与计算结果的比较见图4,该算例所使用的计算时间为120s(PIV2.6GByte,2GByte),计算得到的最大焊接变形位移与实测的变形位移的相对误差为3.9%.图4平板堆焊的实验与计算结果(a)平板堆焊的实验;(b)焊接过程中的变形垂直位移与最后变形曲线的实测比较曾攀等:用于板材焊接变形预测的原位等效焊接单元1468还将所构建的原位等效焊接单元应用处理一个实际问题,图5(a)为一个典型钢桥焊接整体节点箱型结构,采用的计算模型为(节点2593个,单元2563个),共有4道双面焊缝焊,计算的时间步数为320步,计算时间约为12分钟,计算结果如图5(b)所示.图5典型钢桥焊接整体节点实际构件的变形及计算结果(a)实际构件的焊接变形;(b)焊接变形的计算结果3结论可以看出,本文基于材料在拘束条件和热循环下的残余变形行为,确定出焊接接头的固有应变原位点、等效尺度、固有变形的弯曲半径或角度;通过刚度等效的方式,确定出板材焊接接头面内弯矩惯性矩以及作用于原位点上的等效弯矩,针对焊接过程的特征引入单元激活机制,由此构建出LEWE,实验验证和算例表明,这种单元可以充分显现焊接过程的材料行为、几何参数、固有应变等特征,便于使用,计算精度和效率较高,在板材类构件的焊接变形预测方面可望具有广阔的工程应用前景.参考文献1UedaY,KimYC,YuanMG.Apredictionmethodofweldingresidualstressusingsourceofresidualstress(ReportI)―Characteristicsofinherentstrain(sourceofresidualstress).JTransJWRI,1989,18(1):135―1412汪建华,陆皓,魏良武.固有应变有限元法预测焊接变形理论及其应用.焊接学报,2002,23(6):456―4753蔡志鹏.大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用.博士学位论文.北京:清华大学,2001.42―684史清宇.焊接过程三维数值模拟的研究及应用.博士学位论文.北京:清华大学,2000.39―775中国机械工程学会焊接学会.焊接手册(第1,2册).北京:机械工业出版社,19926傅积和,孙玉林.焊接数据资料手册.北京:机械工业出版社,19947拉达伊.焊接热效应:温度场、残余应力、变形.北京:机械工业出版社,1997.10―47