V形坡口对接有限元数值模拟分析

韩亮 白凯

摘 要：焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接残余应力对接头的静载强度、疲劳强度和抗腐蚀性能都有着非常不利的影响；本文选取体生热率热源模型，利用ANSYS软件的APDL语言编写程序来实现焊缝热源的移动加载。运用多层多道焊接过程的热-弹-塑性有限元计算方法，对板厚12mm的V形坡口进行温度场模拟分析，找到温度场分布规律。

关键词：温度场；焊接；模拟分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.23.025

1 建立几何模型

根据试验构件的实际尺寸，建立几何模型，本模型尺寸为两块12mm×90mm×300mm的Q235钢板，V形坡口为60°。

2 網格划分

常见的网格划分方法：

（1）选取面或者体，采用四面体或六面体自由划分，常用的命令有：esize、amesh、vmesh。

（2）设置所有线的剖分细度或者等分数，在对面或者体进行扫掠划分或者自由划分，常见的命令有：vsweep、vemsh。

（3）建立一个面，对面进行网格划分，在拉伸成具有网格的体，常见的命令有：vext。

3 定义材料属性

金属的物理性能参数比如弹性模量，屈服应力、导热系数、比热容等都随温度的变化而变化。但如今好多金属材料的热物理参数并不全，尤其是在高温区域，比热容和热导率等还随着实际塑性变形的变化而变化，因此必须在ANSYS分析过程中考虑热物理参数。

4 焊接温度场模拟

4.1 模拟焊接热源

本次热源模型采用体生热率热源。生热率=（K×U×I）/（A×V×DT），试验过程采用的是CO2气体保护，焊热效率要低于氩弧焊，因此K值取0.55。U、I、V分别代表焊接电压、焊接电流、焊接速度。

4.2 生死单元加载

ANSYS程序在工作过程中，并不是将“杀死”的单元从模型中删除，而是将其刚度矩阵乘以一个很小的因子，因子默认值为1.0E-6。死单元的单元载荷为0，从而不对载荷向量生效。如果单元“出生”，并不是将其加入到模型中，而是重新激活它们。

4.3 求解过程

整个求解过程总的来看分成热源加热和冷却两个过程。一共四道焊缝，由于加载热源前要进行稳态分析，算第1载荷步。

第一道焊缝的载荷步为2-31步，共30步。

第二道焊缝的载荷步为37-66步，共30步。

第三道焊缝的载荷步为72-101步，共30步。

第四道焊缝的载荷步为107-136步，共30步。

4.4 温度场计算结果分析

第一道焊缝的持续载荷步为2-31步，焊缝第16步（中间位置）和第31步（结束位置）的温度场如图1、图2所示：

根据图中结果可知，随着热源的加载和移动，对接板上的各点温度呈现对称分布，靠近热源的温度升高快，远离热源的点升温慢，板材远离热源的部分温度逐渐升高。31步时热源周围最高温度为1651℃，温度场分布稳定，随热源均匀移动，板上远离焊缝的区域温度也从室温25℃上升到了25.05℃。

第二道焊缝的持续载荷步为37-66步，焊缝第51步和第66步的温度场如图3、图4所示：

这时第二道热源继续加载，在66步时热源周围的最高温度为2150℃，这是由于第二道焊缝的焊接参数要大于第一道焊缝，同时在加工时，不可能有足够长的时间来使焊完的板材冷却到室温之后再来加工下一道焊缝，前一道焊缝的热能传给了第二道焊缝。

第三道焊缝的持续载荷步为72-101步，第三道热源加载后期，产生的运动温度场不再发生升高变化，只随着热源移动，温度场分布为椭圆形，呈现准稳态。准稳态的出现说明网格划分和时间步长的划分都达到了要求，温度场的数值模拟是准确的。

第四道焊缝的持续载荷步为107-136步，模拟到2547.92s（146步）时，整个板材温度一致，残余应力将不发生变化，这时就可以认为模拟过程已经结束，然后进行分析。因为降温幅度要小于升温幅度，为了节约模拟时间，加快冷却速度，最后3步（144步、145步、146步），每步时间步长为500s。整个板材温度持续下降，焊缝区域温度下降很快，和边缘区域温度趋同，144步和145步之间的温差约为100℃，而145步和146步之间的温差约为34℃，充分说明了温度越与室温接近，温度下降越慢。

参考文献：

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