袁紅莉，閆永思

(集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引 言

隨著人們對于環(huán)保越來越重視，船舶也向著輕量化、綠色化的方向發(fā)展。薄板具有重量輕、易成型等優(yōu)點(diǎn)[1]，在造船中應(yīng)用日益廣泛。但薄板結(jié)構(gòu)易變形、穩(wěn)定性差，尤其是焊接變形，影響船舶建造精度和結(jié)構(gòu)的安全性。船舶結(jié)構(gòu)多由板材與型材拼裝焊接而成，在焊接過程中，焊接順序不同，構(gòu)件產(chǎn)生的焊接變形差異較大，船廠主要根據(jù)以往積累的經(jīng)驗(yàn)來選擇焊接順序，安排生產(chǎn)，缺乏必要的焊前預(yù)報(bào)。將有限元法（FEM）應(yīng)用到焊接模擬分析中，實(shí)現(xiàn)不同焊接順序下焊接變形的模擬與預(yù)報(bào)，對編制適當(dāng)?shù)暮附庸に嚲哂兄匾闹笇?dǎo)意義。由于焊接過程熱傳導(dǎo)是非線性瞬態(tài)傳導(dǎo)，為了模擬的準(zhǔn)確性，經(jīng)過對有限元理論研究和常用軟件分析比較，本文以T型構(gòu)件兩側(cè)角焊縫為研究對象，設(shè)計(jì)4個(gè)常用焊接順序，利用熱彈塑性有限元法分別模擬不同順序下的焊接過程，使用Ansys建模并進(jìn)行熱彈塑性有限元分析，根據(jù)得出的溫度場與合位移場分布情況，得出焊接變形的最小的最佳焊接順序。從而在焊接工藝之前先對焊接變形進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)，可減少變形調(diào)高生產(chǎn)效率。

1 模擬過程中關(guān)鍵問題的處理

焊接是一項(xiàng)復(fù)雜的工藝技術(shù)，涉及學(xué)科種類多，有：冶金和力學(xué)、電弧物理 以及冶金力學(xué)。此外，由于熱源處于不斷移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不同焊接順序下有不同的移動(dòng)軌跡，所以利用Ansys有限元模擬過程要考慮到材料性能參數(shù)的設(shè)置、相變潛熱的處理、生死單元的設(shè)置以及熱源移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)、熱-結(jié)構(gòu)場耦合分析運(yùn)用，模擬T型構(gòu)件左右2條角焊縫在不同順序下的焊接流程，根據(jù)熱彈塑有限元分析所生成的溫度場、合位移場以及殘余應(yīng)力，可顯而易見地找出引起最小焊接變形的最佳焊接順序。

1.1 相變問題的處理

焊接過程一般都經(jīng)歷固-液-固相變過程，會(huì)產(chǎn)生相變潛熱，所以對薄板結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接分析時(shí)，不能忽略相變潛熱的影響[2]。對于相變問題的處理注意到以下幾點(diǎn)：

1）由于相變過程非線性，材料在焊接過程中融化或凝固發(fā)生的范圍較小，為使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，在求解時(shí)應(yīng)設(shè)置較小的時(shí)間步長；

2）對材料的焓值加以設(shè)置。通過材料的屬性設(shè)定，Ansys自動(dòng)得到初焓值；

3）為了相變過程中能夠自動(dòng)調(diào)整時(shí)間步長以提高精確性，應(yīng)將Ansys的自動(dòng)時(shí)間步長設(shè)置為開啟狀態(tài)；

4）選用低階單元，本文在熱力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)分析所選用的單元類型分別為：SOLID70和SOLID185；

5）為加快求解速度提高運(yùn)算效率，應(yīng)打開線性搜索功能。

1.2 生死單元設(shè)置

在建立構(gòu)件的模型時(shí)一般都會(huì)先把焊縫模型建立出來，但是實(shí)際上焊縫是在焊接過后出現(xiàn)的，在對焊縫施加熱源載荷之前先“殺死”焊縫單元，然后再隨著焊接熱源的移動(dòng)逐個(gè)將焊縫單元“激活”[3,4]，模擬焊接材料逐步填充、生成焊縫的過程。焊縫形成過程的模擬是利用上述的“生死單元法”法實(shí)現(xiàn)，焊縫激活的速度以及方向應(yīng)與實(shí)際熱源的移動(dòng)速度和方向保持一致。具體的技術(shù)措施是利用APDL循環(huán)語句來實(shí)現(xiàn)焊縫單元的“生死”以及熱源載荷的加載。

1.3 熱源的選擇和移動(dòng)熱源的加載

在保證計(jì)算精度的前提下，為了提高計(jì)算效率并使計(jì)算結(jié)果收斂，不宜將網(wǎng)格劃分過于細(xì)密。本文利用高斯熱源來模擬實(shí)際的焊接熱源。高斯熱源的熱流分布函數(shù)式：

其中：r為計(jì)算點(diǎn)到熱源中心的距離；為半徑r處的表面熱流，W/m2；為熱流集中程度系數(shù)；為熱源中心的溫度。

使用Ansys軟件進(jìn)行焊接熱彈塑性模擬的關(guān)鍵問題在于移動(dòng)熱載荷的加載。針對這一問題本文提供的解決方案為使用APDL編寫一段循環(huán)命令流來模擬焊縫的生成過程以及熱源的加載過程?？紤]到篇幅限制，僅將移動(dòng)熱源的加載過程用流程圖表示出來，如圖1所示，略去對應(yīng)的APDL。

圖 1 移動(dòng)熱源模擬過程Fig. 1 The moving heat source simulation process

1.4 熱-結(jié)構(gòu)耦合場分析

使用間接耦合法對T型構(gòu)件兩側(cè)角焊縫進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合場分析，從而可得出不同焊接順序下的溫度場以及合位移場。具體的分析步驟為[5]：1）先對焊縫施加移動(dòng)熱載荷得出焊接過程中的溫度場，并將結(jié)果保存以待后續(xù)使用；2）在熱分析結(jié)束后結(jié)構(gòu)分析開始前，先在前處理器對結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理；3）然后對焊縫加載由熱分析得出的熱載荷；4）進(jìn)行求解設(shè)置；5）求解。

將熱-結(jié)構(gòu)耦合的邏輯和方法用流程表示為如圖2所示，略去對應(yīng)的APDL。

2 分析實(shí)例

2.1 有限元結(jié)構(gòu)模型

T型構(gòu)件為船用A級鋼，由面板和腹板拼接而成，兩側(cè)焊縫長1 000 mm，焊腳4 mm。腹板尺寸為：1 000 mm×246 mm×5.5 mm。面板尺寸為：1 000 mm×100 mm×8 mm。有限元結(jié)構(gòu)模型見圖3和圖4。

對2條角焊縫設(shè)計(jì)4個(gè)常用的焊接順序，見表1。

薄板厚度較小，焊接時(shí)不必開焊接坡口。焊接參數(shù)見表2。

圖 2 焊接模擬流程圖Fig. 2 Welding simulation flow chart

圖 3 T型結(jié)構(gòu)三維圖Fig. 3 Three-dimensional graph of T-type structure

圖 4 T型結(jié)構(gòu)截面圖Fig. 4 Cross section graph of T-type structure

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

2.2 材料的物理性能

文中所述構(gòu)件所用材料為船用A級鋼板，且假設(shè)焊縫與T型構(gòu)件有著相同的材料屬性。在進(jìn)行溫度場分析前先設(shè)定材料的熱物理參數(shù)，包括對流系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、密度、比熱容等。由于需要對焊接過程進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析，所以在熱分析之后結(jié)構(gòu)分析之前，還需設(shè)定材料的結(jié)構(gòu)物理參數(shù)，包括泊松比參數(shù)、切變模量、屈服強(qiáng)度和彈性模量。由于材料性能隨溫度的變化而發(fā)生非線性改變，尤其是焊接過程焊件溫度從室溫迅速升到1 500 ℃以上時(shí)，材料特性參數(shù)會(huì)發(fā)生劇烈變化。所以設(shè)置材料性能參數(shù)時(shí)考慮到了材料性能的非線性，對應(yīng)不同溫度設(shè)置不同的值。

表 2 焊接參數(shù)表Tab. 2 Welding parameters table

2.3 模型的網(wǎng)格劃分

因?yàn)閷附舆^程進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合場分析需先進(jìn)行熱分析，然后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，這就要求所選用的單元類型具有兼容性。為滿足上述要求，選用SOLID70單元進(jìn)行熱分析，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為SOLID185單元。

焊接過程中焊件受熱不均，熱源中心處熱量最高，遠(yuǎn)離熱源處受熱迅速降低，在劃分單元時(shí)靠近焊縫處應(yīng)細(xì)密，向外依次稀疏，不僅能夠保證焊縫結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且能夠提高計(jì)算效率。劃分網(wǎng)格時(shí)采用映射法。板寬方向：焊縫上沿著焊腳劃分2個(gè)單元，單元長度為2 mm；設(shè)定距離焊縫15 mm的范圍內(nèi)為熱影響區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)單元長度設(shè)定為5 mm，沿著寬度方向劃分3個(gè)單元；距離焊縫大于15 mm以外區(qū)域受熱源影響程度較小，可增加單元邊長，設(shè)定為10 mm；由于板厚較薄，板厚方向設(shè)置2個(gè)單元，單元邊長2.75 mm。焊縫長度方向：設(shè)定沿焊縫長度方向的單元長度為5 mm，單元個(gè)數(shù)為200；最終單元總數(shù)為22 200個(gè)。單元模型見圖5和圖6。

圖 5 結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐纸孛鎴DFig. 5 Cross section of finite element model of structure

2.4 邊界條件

焊接過程受焊件周圍環(huán)境的影響，周圍環(huán)境溫度不同也會(huì)引起焊接變形的差異，考慮焊件所處環(huán)境溫度以及與周圍環(huán)境存在熱交換現(xiàn)象，在熱分析前須設(shè)置焊件的初始溫度和邊界條件。該分析中，根據(jù)實(shí)際船廠施工條件，將初始溫度設(shè)定為35 °C。不單獨(dú)考慮焊接過程的熱輻射，將其耦合到對流換熱中，焊件表面設(shè)置空氣對流載荷。具體的操作方式為：將800 °C到2 400 °C 的對流系數(shù)的值增加 10%～30%[6]。

圖 6 結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐秩S圖Fig. 6 Three-dimensional graph of finite element model of structure

在熱分析時(shí)，對流參數(shù)的設(shè)置命令流：

2.5 不同焊接順序下的熱源加載過程

對焊件進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的關(guān)鍵問題為焊接過程的模擬，即焊接移動(dòng)熱源加載過程的實(shí)現(xiàn)方法。將熱源的移動(dòng)過程抽象為數(shù)學(xué)問題，研究不同熱源隨時(shí)間的移動(dòng)軌跡，利用APDL編寫命令流，先確定熱源的加載坐標(biāo)，再將熱源有效半徑以內(nèi)的所有單元選中，根據(jù)高斯熱源熱流分布公式在這部分單元施加相應(yīng)熱載荷。須通過循環(huán)的方式完成整個(gè)焊接過程中焊接熱載荷的加載，將上一個(gè)循環(huán)的運(yùn)算結(jié)果作為下一個(gè)循環(huán)的初值。

2.6 結(jié)果分析

先將焊件冷卻4 500 s，然后比較不同焊接順序下的溫度場以及合位移場，找出引起最小焊接變形的最佳焊接順序。合位移分析見圖7。

通過比較以上4個(gè)合位移場可得出以下結(jié)論：依次同端焊接產(chǎn)生的最大位移為1.132 mm；同時(shí)同向焊的最大位移為1.854 mm；同時(shí)異向焊最大位移為2.435 mm。依次異端焊接引起的焊接變形最大，最依次同端焊接引起的焊接變形最小。焊件的自由端的位移最大。與實(shí)際焊接變形的結(jié)果相一致。

3 結(jié) 語

本文運(yùn)用Ansys軟件，研究了基于熱彈塑性有限元法薄板結(jié)構(gòu)焊接變形模擬方法，解決了熱彈塑性有限元計(jì)算量過大、難以收斂的問題。通過對船舶T型結(jié)構(gòu)不同焊接順序下的焊接變形模擬、分析比較，找出焊接變形最小的順序?yàn)橐来雾樞蚝附樱M結(jié)果與實(shí)際結(jié)果基本吻合。結(jié)果表明利用Ansys提供的生死單元、熱-結(jié)構(gòu)場耦合以及APDL等技術(shù)不僅能夠?qū)Σ煌附禹樞蛳碌暮附幼冃芜M(jìn)行模擬和預(yù)報(bào)，其方法也適用于其他不同焊接參數(shù)下的焊接過程有限元分析，實(shí)現(xiàn)對船舶薄板焊接變形的模擬和預(yù)報(bào)，對優(yōu)化焊接工藝提供理論指導(dǎo)。

圖 7 合位移云圖Fig. 7 Displacement field of different welding sequences

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