胡掌穩(wěn)，熊逸群，牟　軍，王海博，鄭　軒，胡凌云，龐紅良，黃　玉，張　龍

(1.北京市三一重機(jī)有限公司，北京 102206；2.北京翔博科技股份有限公司，北京 100086)

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基于固有應(yīng)變法的桅桿焊接工藝仿真

胡掌穩(wěn)1，熊逸群1，牟軍1，王海博1，鄭軒2，胡凌云2，龐紅良2，黃玉2，張龍2

(1.北京市三一重機(jī)有限公司，北京 102206；2.北京翔博科技股份有限公司，北京 100086)

桅桿的材料為Q345B，通過采用焊接的方式，將桅桿的底板、側(cè)板、頂板和加強(qiáng)筋焊接成裝配件。桅桿在焊后存在變形，需要通過熱校形來減小和控制變形量?；诠逃袘?yīng)變法對(duì)桅桿的焊接成型工藝進(jìn)行仿真，通過三維彈塑性有限元仿真，得到焊接成型過程中焊縫周圍的殘余應(yīng)力分布和固有應(yīng)變分布趨勢(shì)，進(jìn)而通過固有應(yīng)變法獲得桅桿焊后的整體變形。

焊接；桅桿；固有應(yīng)變法；三維彈塑性有限元；焊縫應(yīng)力應(yīng)變分布

焊接過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的物理過程，如微觀組織、熱和力學(xué)場(chǎng)量耦合[1-2]。冷卻過程積累的塑性應(yīng)變主要決定了焊接殘余變形。桅桿焊接工藝的仿真方法為固有應(yīng)變法[3-4]。固有應(yīng)變法的基本原理為先通過熱彈塑性有限元法分析焊接接頭，得到焊縫周圍的殘余應(yīng)力分布和固有應(yīng)變分布，再將焊縫及其附近所產(chǎn)生的固有應(yīng)變作為初始應(yīng)變，進(jìn)行一次彈性有限元計(jì)算，來獲得整個(gè)桅桿結(jié)構(gòu)的焊接變形，進(jìn)而優(yōu)化大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接順序。

北京翔博科技股份有限公司在ABAQUS成熟商用軟件的基礎(chǔ)上進(jìn)行封裝，基于固有應(yīng)變法形成了多工藝連續(xù)仿真軟件焊接工藝模塊，實(shí)現(xiàn)了大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接工藝仿真，可對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊后整體變形進(jìn)行分析。

1　建立桅桿有限元模型

以SR150型號(hào)桅桿為例，采用ABAQUS有限元軟件前處理建立的3D幾何模型如圖1所示[5-6]。采用四面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖2所示。將桅桿放在平臺(tái)上進(jìn)行焊接裝配，約束桅桿的剛體位移。桅桿實(shí)際的焊接工藝參數(shù)如下：焊接電流260 A；焊接電壓27 V；焊接速度25 m/h；電弧熱效率0.75。

圖1　桅桿幾何模型　　　圖2　桅桿網(wǎng)格模型

2　焊接接頭三維彈塑性有限元仿真

在桅桿焊接過程中，焊接接頭包括對(duì)接接頭、T型接頭和角接接頭[7]。采用的熱源模型為高斯熱源。高斯熱源分布計(jì)算公式如下[8-9]：

(1)

式中，R為電弧有效加熱半徑；r為焊接件上任意點(diǎn)至電弧加熱斑點(diǎn)中心的距離；η為電弧熱效率；U為焊接電壓；I為焊接電流。

2.1對(duì)接接頭仿真結(jié)果

對(duì)接接頭的應(yīng)力分布如圖3～圖5所示。由圖3～圖5得知，焊后在焊縫周圍的應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域應(yīng)力值較小，焊接殘余應(yīng)力主要集中在焊縫及其附近。

圖3　對(duì)接接頭等效應(yīng)力云圖

圖4　對(duì)接接頭最大主應(yīng)力云圖

圖5　對(duì)接接頭最小主應(yīng)力云圖

對(duì)接接頭的應(yīng)變分布結(jié)果如圖6～圖8所示。由圖6～圖8得知，焊后在焊縫周圍的應(yīng)變值較大，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域應(yīng)變值較小。 取焊縫橫截面，可計(jì)算得出焊縫橫截面的平均固有應(yīng)變。通過坐標(biāo)軸方向得知，PE11為橫向固有應(yīng)變，PE22為縱向固有應(yīng)變。

圖6　對(duì)接接頭X方向應(yīng)變?cè)茍D

圖7　對(duì)接接頭Y方向應(yīng)變?cè)茍D

圖8　對(duì)接接頭Z方向應(yīng)變?cè)茍D

2.2T型接頭仿真結(jié)果

T型接頭的應(yīng)力分布如圖9～圖11所示。由圖9～圖11得知，焊后在焊縫周圍的應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域應(yīng)力值較小，焊接殘余應(yīng)力主要集中在焊縫及其附近。

圖9　T型接頭等效應(yīng)力云圖

圖10　T型接頭最大主應(yīng)力云圖

圖11　T型接頭最小主應(yīng)力云圖

T型接頭的應(yīng)變分布結(jié)果如圖12～圖14所示。由圖12～圖14得知，焊后在焊縫周圍的應(yīng)變值較大，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域應(yīng)變值較小。取焊縫橫截面，可計(jì)算得出焊縫橫截面的平均固有應(yīng)變。通過坐標(biāo)軸方向得知，PE11為橫向固有應(yīng)變，PE22為縱向固有應(yīng)變。

圖12　T型接頭X方向應(yīng)變?cè)茍D

圖13　T型接頭Y方向應(yīng)變?cè)茍D

圖14　T型接頭Z方向應(yīng)變?cè)茍D

2.3角接接頭仿真結(jié)果

角接接頭的應(yīng)力分布如圖15～圖17所示。由圖15～圖17得知，焊后在焊縫周圍的應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域應(yīng)力值較小，焊接殘余應(yīng)力主要集中在焊縫及其附近。

圖15　角接接頭等效應(yīng)力云圖

圖16　角接接頭最大主應(yīng)力云圖

圖17　角接接頭最小主應(yīng)力云圖

角接接頭的應(yīng)變分布結(jié)果如圖18～圖20所示。由圖18～圖20得知，焊后在焊縫周圍的應(yīng)變值較大，遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域應(yīng)變值較小。取焊縫橫截面，可計(jì)算得出焊縫橫截面的平均固有應(yīng)變。通過坐標(biāo)軸方向得知，PE11為橫向固有應(yīng)變，PE22為縱向固有應(yīng)變。

圖18　角接接頭X方向固有應(yīng)變?cè)茍D

圖19　角接接頭Y方向固有應(yīng)變?cè)茍D

圖20　角接接頭Z方向固有應(yīng)變?cè)茍D

3　焊接工藝參數(shù)對(duì)應(yīng)力及應(yīng)變分布的影響

3.1焊接電流對(duì)桅桿焊縫仿真結(jié)果的影響

選取工藝參數(shù)為電壓27 V、焊接速度25 m/h，電弧熱效率0.75，依次選取焊接電流240、260、280、300和320 A，分別計(jì)算不同電流下，焊縫周圍的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。

隨著電流的不斷增大，焊縫周圍的殘余等效應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖21所示。由圖21得知，隨著焊接電流不斷增大，焊縫周圍的等效應(yīng)力數(shù)值不斷增大，當(dāng)電流增大到一定數(shù)值時(shí)，等效應(yīng)力增大的趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。

圖21　焊縫等效應(yīng)力隨電流增大的變化趨勢(shì)

隨著電流的不斷增大，焊縫周圍的縱向固有應(yīng)變變化趨勢(shì)如圖22所示。由圖22得知，焊縫周圍的縱向固有應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，隨著焊接電流不斷增大，焊縫周圍的縱向固有應(yīng)變數(shù)值不斷增大，當(dāng)電流增大到一定數(shù)值時(shí)，縱向固有應(yīng)變?cè)龃蟮内厔?shì)趨于平穩(wěn)。

圖22　焊縫縱向固有應(yīng)變隨電流增大的變化趨勢(shì)

隨著電流的不斷增大，焊縫周圍的橫向固有應(yīng)變變化趨勢(shì)如圖23所示。由圖23得知，焊縫周圍的橫向固有應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，隨著焊接電流不斷增大，焊縫周圍的橫向固有應(yīng)變數(shù)值不斷增大。

圖23　焊縫橫向固有應(yīng)變隨電流增大的變化趨勢(shì)

3.2焊接電壓對(duì)桅桿焊縫仿真結(jié)果的影響

選取工藝參數(shù)為電流260 A、焊接速度25 m/h，電弧熱效率0.75，依次選取焊接電壓24、27、30和33 V，分別計(jì)算不同電壓下，焊縫周圍的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。

隨著電壓的不斷增大，焊縫周圍的殘余等效應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖24所示。由圖24得知，隨著焊接電壓不斷增大，焊縫周圍的等效應(yīng)力數(shù)值不斷增大。

圖24　焊縫等效應(yīng)力隨電壓增大的變化趨勢(shì)

隨著電壓的不斷增大，焊縫周圍的縱向固有應(yīng)變變化趨勢(shì)如圖25所示。由圖25得知，焊縫周圍的縱向固有應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，隨著焊接電壓不斷增大，焊縫周圍的縱向固有應(yīng)變數(shù)值不斷增大。

圖25　焊縫縱向固有應(yīng)變隨電壓增大的變化趨勢(shì)

隨著電壓的不斷增大，焊縫周圍的橫向固有應(yīng)變變化趨勢(shì)如圖26所示。由圖26得知，焊縫周圍的橫向固有應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，隨著焊接電壓不斷增大，焊縫周圍的橫向固有應(yīng)變數(shù)值不斷增大。

圖26　焊縫橫向固有應(yīng)變隨電壓增大的變化趨勢(shì)

3.3焊接速度對(duì)桅桿焊縫仿真結(jié)果的影響

選取工藝參數(shù)為電流260 A、焊接電壓27 V，電弧熱效率0.75，依次選取焊接速度20、25、30和35 m/h，分別計(jì)算不同焊接速度下，焊縫周圍的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。

隨著焊接速度的不斷增大，焊縫周圍的殘余等效應(yīng)力變化趨勢(shì)如圖27所示。由圖27得知，隨著焊接速度不斷增大，焊縫周圍的等效應(yīng)力數(shù)值不斷減小，當(dāng)焊接速度增大到一定數(shù)值后，等效應(yīng)力減小的趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。

圖27　焊縫等效應(yīng)力隨焊接速度增大的變化趨勢(shì)

隨著焊接速度的不斷增大，焊縫周圍的縱向固有應(yīng)變變化趨勢(shì)如圖28所示。由圖28得知，焊縫周圍的縱向固有應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，隨著焊接速度不斷增大，焊縫周圍的縱向固有應(yīng)變數(shù)值不斷減小，當(dāng)焊接速度增大到一定數(shù)值后，縱向固有應(yīng)變減小的趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。

圖28　焊縫縱向固有應(yīng)變隨焊接速度增大的變化趨勢(shì)

隨著焊接速度的不斷增大，焊縫周圍的橫向固有應(yīng)變變化趨勢(shì)如圖29所示。由圖29得知，焊縫周圍的橫向固有應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，隨著焊接速度不斷增大，焊縫周圍的橫向固有應(yīng)變數(shù)值不斷減小，當(dāng)焊接速度增大到一定數(shù)值后，橫向固有應(yīng)變減小的趨勢(shì)趨于平穩(wěn)。

圖29　焊縫橫向固有應(yīng)變隨焊接速度增大的變化趨勢(shì)

4　桅桿焊接變形仿真

將上述得到的焊縫周圍的固有應(yīng)變值作為初始應(yīng)變施加于桅桿模型中，采用固有應(yīng)變法通過彈性仿真分析桅桿焊后的變形[10-11]。 通過固有應(yīng)變法仿真得到的桅桿焊后整體變形如圖30～圖33所示。

圖30　桅桿焊后整體變形云圖

圖31　桅桿變形放大圖(300倍)

圖32　桅桿Y向變形云圖

圖33　桅桿Z向變形云圖

由圖30～圖33得知，桅桿在組裝焊接后存在翹曲變形，中間的變形較大，兩端的變形較小，整個(gè)模型沿軸線方向存在圓弧狀的變形趨勢(shì)，與實(shí)際焊接變形相吻合。

提取桅桿沿同一軸線方向的節(jié)點(diǎn)形成路徑1(見圖34)，得到沿路徑1桅桿的變形趨勢(shì)如圖35～圖37所示。由圖35得知，桅桿焊后沿同一軸線呈現(xiàn)圓弧狀的變形。由圖36得知，桅桿焊后沿同一軸線在Y向的變形呈現(xiàn)圓弧狀。由圖37得知，桅桿焊后沿同一軸線在Z向的變形呈現(xiàn)圓弧狀。

圖34　路徑1示意圖

圖35　沿路徑1變形趨勢(shì)

圖36　沿路徑Y(jié)向變形趨勢(shì)

圖37　沿路徑Z向變形趨勢(shì)

5　結(jié)語

本文基于固有應(yīng)變法對(duì)桅桿的焊接成型工藝進(jìn)行仿真，先通過三維彈塑性有限元仿真，得到焊接成型過程中典型焊接接頭焊縫周圍的殘余應(yīng)力分布和固有應(yīng)變分布趨勢(shì)，進(jìn)而將獲得的固有應(yīng)變作為初始應(yīng)變施加于桅桿模型中，通過固有應(yīng)變法獲得桅桿焊后的整體變形。

桅桿在組裝焊接后整體存在翹曲變形，中間的變形較大，兩端的變形較小，提取桅桿沿同一軸線方向的節(jié)點(diǎn)，整個(gè)模型沿軸線方向存在圓弧狀的變形趨勢(shì)，與實(shí)際焊接變形相吻合。

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責(zé)任編輯馬彤

Based on the Inherent Strain of Mast Welding Process Simulation

HU Zhangwen1， XIONG Yiqun1， MU Jun1， WANG Haibo1， ZHENG Xuan2， HU Lingyun2，PANG Hongliang2， HUANG Yu2， ZHANG Long2

(1.Beijing Sany Heavy Machinery Co., Ltd.， Beijing 102206,China； 2.Beijing Semboo Science & Technology Co.,Ltd., Beijing 100086, China)

The mast of molding process is welding while the steel material is Q345B, the mast welding assembly is composed of base plate, side panel, roof and reinforcement of welding. Masts exist deformation after welding, it needs adopting the hot school to reduce the control deformation. The article is based on the inherent strain of mast welding molding process simulation. The welding forming is obtained by 3D elastic-plastic finite element silmulation in the process of inherent strain distribution around the weld residual stress distribution and trend. The whole welding deformation is through using inherent strain gauge and mast.

welding， mast， the inherent strain gauge， three dimensional elastoplastic finite element method， weld stress and strain distribution

TG 404

A

胡掌穩(wěn)(1970-)，男，高級(jí)工程師，主要從事焊接等方面的研究。

2016-02-22