舰船科学技术  2018, Vol. 40 Issue (5): 52-55   PDF    
基于热弹塑性有限元法船舶薄板结构焊接变形模拟与预报
袁红莉, 闫永思     
集美大学 轮机工程学院,福建 厦门 361021
摘要: 本文论述了基于热弹塑性有限元法对不同焊接顺序下薄板焊接变形的模拟和预报,介绍了模拟过程中关键问题的处理,如材料相变的应对措施,移动热源的加载过程的模拟,生死单元法在焊缝生成模拟中的应用。本文以T型构件两侧角焊缝为研究对象,设计4个常用焊接顺序,利用Ansys分别模拟不同顺序下的焊接过程,并进行热弹塑性有限元分析,根据温度场与合位移场分布情况,得出焊接变形的最小的最佳焊接顺序。说明基于热弹塑性有限元法可以实现不同焊接顺序下焊接变形的模拟和预报。计算结果与实测一致。
关键词: 热弹塑性有限元法     薄板结构     焊接顺序     焊接变形    
The numerical simulation and prediction of welding deformations under different welding sequences based on thermal elastic-plastic finite element method
YUAN Hong-li, YAN Yong-si     
College of Marine Engineer, Jimei University, Xiamen 361021, China
Abstract: This paper discusses the simulation and prediction of welding deformation under different welding sequences based on the thermal elastic-plastic finite element method, introduces how to deal with the key problems, such as the treatment of phase transition problem, simulation of the generation process of welding lines and the application of the method of Birth and Death in welding simulation; Taking the fillet welds of the T-type component that is common in ships as an example as the research object. Designing four commonly used welding sequences.The welding process is simulated by ANSYS, and the thermal elastic-plastic finite element analysis of welding deformation under different welding sequences is conducted. On the basis of the distribution of the temperature field and the displacement field, the optimum welding sequence of deformation is obtained, which instructs that the simulation and prediction of welding deformation under different welding sequences can realize based on thermal elastic-plastic finite element method. The calculated results are in line with the actual results.
Key words: thermal elastic-plastic finite element method     thin plate structure     welding sequences     welding deformation    
0 引 言

随着人们对于环保越来越重视,船舶也向着轻量化、绿色化的方向发展。薄板具有重量轻、易成型等优点[1],在造船中应用日益广泛。但薄板结构易变形、稳定性差,尤其是焊接变形,影响船舶建造精度和结构的安全性。船舶结构多由板材与型材拼装焊接而成,在焊接过程中,焊接顺序不同,构件产生的焊接变形差异较大,船厂主要根据以往积累的经验来选择焊接顺序,安排生产,缺乏必要的焊前预报。将有限元法(FEM)应用到焊接模拟分析中,实现不同焊接顺序下焊接变形的模拟与预报,对编制适当的焊接工艺具有重要的指导意义。由于焊接过程热传导是非线性瞬态传导,为了模拟的准确性,经过对有限元理论研究和常用软件分析比较,本文以T型构件两侧角焊缝为研究对象,设计4个常用焊接顺序,利用热弹塑性有限元法分别模拟不同顺序下的焊接过程,使用Ansys建模并进行热弹塑性有限元分析,根据得出的温度场与合位移场分布情况,得出焊接变形的最小的最佳焊接顺序。从而在焊接工艺之前先对焊接变形进行模拟预报,可减少变形调高生产效率。

1 模拟过程中关键问题的处理

焊接是一项复杂的工艺技术,涉及学科种类多,有:冶金和力学、电弧物理 以及冶金力学。此外,由于热源处于不断移动的运动状态,不同焊接顺序下有不同的移动轨迹,所以利用Ansys有限元模拟过程要考虑到材料性能参数的设置、相变潜热的处理、生死单元的设置以及热源移动的实现、热-结构场耦合分析运用,模拟T型构件左右2条角焊缝在不同顺序下的焊接流程,根据热弹塑有限元分析所生成的温度场、合位移场以及残余应力,可显而易见地找出引起最小焊接变形的最佳焊接顺序。

1.1 相变问题的处理

焊接过程一般都经历固-液-固相变过程,会产生相变潜热,所以对薄板结构进行焊接分析时,不能忽略相变潜热的影响[2]。对于相变问题的处理注意到以下几点:

1)由于相变过程非线性,材料在焊接过程中融化或凝固发生的范围较小,为使计算结果更加准确,在求解时应设置较小的时间步长;

2)对材料的焓值加以设置。通过材料的属性设定,Ansys自动得到初焓值;

3)为了相变过程中能够自动调整时间步长以提高精确性,应将Ansys的自动时间步长设置为开启状态;

4)选用低阶单元,本文在热力学分析和结构分析所选用的单元类型分别为:SOLID70和SOLID185;

5)为加快求解速度提高运算效率,应打开线性搜索功能。

1.2 生死单元设置

在建立构件的模型时一般都会先把焊缝模型建立出来,但是实际上焊缝是在焊接过后出现的,在对焊缝施加热源载荷之前先“杀死”焊缝单元,然后再随着焊接热源的移动逐个将焊缝单元“激活”[3, 4],模拟焊接材料逐步填充、生成焊缝的过程。焊缝形成过程的模拟是利用上述的“生死单元法”法实现,焊缝激活的速度以及方向应与实际热源的移动速度和方向保持一致。具体的技术措施是利用APDL循环语句来实现焊缝单元的“生死”以及热源载荷的加载。

1.3 热源的选择和移动热源的加载

在保证计算精度的前提下,为了提高计算效率并使计算结果收敛,不宜将网格划分过于细密。本文利用高斯热源来模拟实际的焊接热源。高斯热源的热流分布函数式:

$q\left( r \right) = {q_m}\exp ( - k \cdot {r^2})$

其中:r为计算点到热源中心的距离; $q\left( r \right)$ 为半径r处的表面热流,W/m2 $k = 1.2{\rm e}4$ 为热流集中程度系数; ${q_m}$ 为热源中心的温度。

使用Ansys软件进行焊接热弹塑性模拟的关键问题在于移动热载荷的加载。针对这一问题本文提供的解决方案为使用APDL编写一段循环命令流来模拟焊缝的生成过程以及热源的加载过程。考虑到篇幅限制,仅将移动热源的加载过程用流程图表示出来,如图1所示,略去对应的APDL。

图 1 移动热源模拟过程 Fig. 1 The moving heat source simulation process
1.4 热-结构耦合场分析

使用间接耦合法对T型构件两侧角焊缝进行热-结构耦合场分析,从而可得出不同焊接顺序下的温度场以及合位移场。具体的分析步骤为[5]:1)先对焊缝施加移动热载荷得出焊接过程中的温度场,并将结果保存以待后续使用;2)在热分析结束后结构分析开始前,先在前处理器对结构分析进行相关预处理;3)然后对焊缝加载由热分析得出的热载荷;4)进行求解设置;5)求解。

将热-结构耦合的逻辑和方法用流程表示为如图2所示,略去对应的APDL。

图 2 焊接模拟流程图 Fig. 2 Welding simulation flow chart
2 分析实例 2.1 有限元结构模型

T型构件为船用A级钢,由面板和腹板拼接而成,两侧焊缝长1 000 mm,焊脚4 mm。腹板尺寸为:1 000 mm×246 mm×5.5 mm。面板尺寸为:1 000 mm×100 mm×8 mm。有限元结构模型见图3图4

图 3 T型结构三维图 Fig. 3 Three-dimensional graph of T-type structure

图 4 T型结构截面图 Fig. 4 Cross section graph of T-type structure

对2条角焊缝设计4个常用的焊接顺序,见表1

表 1 焊接方向示意表 Tab.1 Welding directions table

薄板厚度较小,焊接时不必开焊接坡口。焊接参数见表2

表 2 焊接参数表 Tab.2 Welding parameters table
2.2 材料的物理性能

文中所述构件所用材料为船用A级钢板,且假设焊缝与T型构件有着相同的材料属性。在进行温度场分析前先设定材料的热物理参数,包括对流系数、导热系数、密度、比热容等。由于需要对焊接过程进行热-结构耦合分析,所以在热分析之后结构分析之前,还需设定材料的结构物理参数,包括泊松比参数、切变模量、屈服强度和弹性模量。由于材料性能随温度的变化而发生非线性改变,尤其是焊接过程焊件温度从室温迅速升到1 500 ℃以上时,材料特性参数会发生剧烈变化。所以设置材料性能参数时考虑到了材料性能的非线性,对应不同温度设置不同的值。

2.3 模型的网格划分

因为对焊接过程进行热-结构耦合场分析需先进行热分析,然后再进行结构分析,这就要求所选用的单元类型具有兼容性。为满足上述要求,选用SOLID70单元进行热分析,在结构分析时能自动转化为SOLID185单元。

焊接过程中焊件受热不均,热源中心处热量最高,远离热源处受热迅速降低,在划分单元时靠近焊缝处应细密,向外依次稀疏,不仅能够保证焊缝结果的准确性,而且能够提高计算效率。划分网格时采用映射法。板宽方向:焊缝上沿着焊脚划分2个单元,单元长度为2 mm;设定距离焊缝15 mm的范围内为热影响区,在该区域内单元长度设定为5 mm,沿着宽度方向划分3个单元;距离焊缝大于15 mm以外区域受热源影响程度较小,可增加单元边长,设定为10 mm;由于板厚较薄,板厚方向设置2个单元,单元边长2.75 mm。焊缝长度方向:设定沿焊缝长度方向的单元长度为5 mm,单元个数为200;最终单元总数为22 200个。单元模型见图5图6

图 5 结构单元划分截面图 Fig. 5 Cross section of finite element model of structure

图 6 结构单元划分三维图 Fig. 6 Three-dimensional graph of finite element model of structure
2.4 边界条件

焊接过程受焊件周围环境的影响,周围环境温度不同也会引起焊接变形的差异,考虑焊件所处环境温度以及与周围环境存在热交换现象,在热分析前须设置焊件的初始温度和边界条件。该分析中,根据实际船厂施工条件,将初始温度设定为35 °C。不单独考虑焊接过程的热辐射,将其耦合到对流换热中,焊件表面设置空气对流载荷。具体的操作方式为:将800 °C到2 400 °C的对流系数的值增加10%~30%[6]

在热分析时,对流参数的设置命令流:

SFA,ALL,1,CONV,10,35。

2.5 不同焊接顺序下的热源加载过程

对焊件进行热-结构耦合分析的关键问题为焊接过程的模拟,即焊接移动热源加载过程的实现方法。将热源的移动过程抽象为数学问题,研究不同热源随时间的移动轨迹,利用APDL编写命令流,先确定热源的加载坐标,再将热源有效半径以内的所有单元选中,根据高斯热源热流分布公式在这部分单元施加相应热载荷。须通过循环的方式完成整个焊接过程中焊接热载荷的加载,将上一个循环的运算结果作为下一个循环的初值。

2.6 结果分析

先将焊件冷却4 500 s,然后比较不同焊接顺序下的温度场以及合位移场,找出引起最小焊接变形的最佳焊接顺序。合位移分析见图7

图 7 合位移云图 Fig. 7 Displacement field of different welding sequences

通过比较以上4个合位移场可得出以下结论:依次同端焊接产生的最大位移为1.132 mm;同时同向焊的最大位移为1.854 mm;同时异向焊最大位移为2.435 mm。依次异端焊接引起的焊接变形最大,最依次同端焊接引起的焊接变形最小。焊件的自由端的位移最大。与实际焊接变形的结果相一致。

3 结 语

本文运用Ansys软件,研究了基于热弹塑性有限元法薄板结构焊接变形模拟方法,解决了热弹塑性有限元计算量过大、难以收敛的问题。通过对船舶T型结构不同焊接顺序下的焊接变形模拟、分析比较,找出焊接变形最小的顺序为依次顺序焊接,模拟结果与实际结果基本吻合。结果表明利用Ansys提供的生死单元、热-结构场耦合以及APDL等技术不仅能够对不同焊接顺序下的焊接变形进行模拟和预报,其方法也适用于其他不同焊接参数下的焊接过程有限元分析,实现对船舶薄板焊接变形的模拟和预报,对优化焊接工艺提供理论指导。

参考文献
[1] 王长生, 薛小怀. 薄板焊接变形的影响因素及控制[J]. 焊接技术, 2005, 34(4): 66–68. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=hanjiejs200504028
[2] 高腰东, 何雪. 基于ANSYS单元生死技术的焊接模拟[J]. 金属铸锻焊技术, 2010, 39(7): 120–126. https://www.wenkuxiazai.com/doc/7635e9ea81c758f5f61f67e4.html
[3] 闫永思. 某滚装船薄板结构变形研究[D]. 厦门: 集美大学, 2016: 16–27.
[4] 张银霞, 乔向南. CO2气体保护焊温度场的三维数值模拟与分析, 2012, 33(4): 41–45.
[5] 胡红军, 杨明波, 张丁非. ANSYS10材料工程有限元分析实例[M]. 电子工业出版社, 2008. 4, 147–149.
[6] 张蔚. 高速船钢质薄板结构焊接变形研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2009: 33–35.