運(yùn)用ansys對焊縫殘余應(yīng)力及溫度場分析

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1、運(yùn)用ANSYS對焊縫殘余應(yīng)力及溫度場分析========================================第1頁========================================第11卷第1期2011年1月1671—1815（2011）1-0159-04科學(xué)技術(shù)與工程ScienceTechnologyandEngineeringVol.11No.1Jan.20112011Sci.Tech.Engng.運(yùn)用ANSYS對焊縫殘余應(yīng)力及溫度場分析高明寶李世蕓鄒云鶴（昆明理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，昆明650093）摘要在焊接過程中，高溫移動熱

2、源及之后的快速冷卻，使得在焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生了殘留的拉應(yīng)力，由此產(chǎn)生熱應(yīng)力場和殘余應(yīng)力。為預(yù)測焊接變形，采用有限元軟件ANSYS中生死單元技術(shù)和熱－結(jié)構(gòu)耦合技術(shù)對異種材料鋼銅連接處的鋁焊縫進(jìn)行數(shù)值分析，得出焊縫焊接殘余應(yīng)力、溫度場分布情況，進(jìn)而為制定正確的焊接工藝、改善焊縫性能等實際生產(chǎn)和使用提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞焊接殘余應(yīng)力溫度場應(yīng)力場中圖法分類號TG407；文獻(xiàn)標(biāo)志碼A2010年10月12日收到，10月20日修改第一作者簡介：高明寶（1984—），男，安徽六安人，助教，碩士研究生，研究方向：機(jī)械CADCAMCAE，計算機(jī)輔助設(shè)計。E-mail：gaom

3、ingbao123@126．com?，F(xiàn)代大型機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)中存在著大量的各種各樣的焊縫，而其焊接時所產(chǎn)生的變形和殘余應(yīng)力都會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，尤其在焊縫附近更是如此。在實際結(jié)構(gòu)中，大部分開裂故障都源于焊縫，對這些部位焊接殘余應(yīng)力、溫度場及應(yīng)力場的研究，可為結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和施工工藝的改進(jìn)及工程故障的有效排除提供重要依據(jù)。隨著計算機(jī)和有限元技術(shù)的發(fā)展，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬焊接過程已成為研究的熱點(diǎn)。本文通過有限元軟件ANSYS12．1對V型焊縫進(jìn)行焊縫殘余應(yīng)力及溫度場分布進(jìn)行有限元分析。1有限元模型建立及求解計算1．1物理模型焊料為鋁，將兩塊尺寸相同的鋼板、銅板焊接

4、在一起，它們的剖面幾何尺寸如圖1所示。鋼、銅、鋁的材料屬性為表1所示。焊接試驗采用沿y方向進(jìn)行焊接。在本數(shù)值計算中，假定假設(shè)無對流和輻射，結(jié)構(gòu)左面固定約束，左右兩邊界均給定30℃的溫度約束，鋼板、銅板的初始溫度設(shè)定為30℃，鋁設(shè)定為1500℃［1］。表1鋼、銅、鋁的材料屬性材料攝氏溫度/℃彈性模量/×1011Pa屈服強(qiáng)度/×109Pa切變模量/×1010Pa鋼302．061．42．065001．711．710000．90．50．915000．20．070．220000．010．0070．01銅301．030．91．035000．840．70．8410000．2

5、30．250．2315000．020．0380．0220000．0020．0040．002鋁301．020．81．025000．50．40．510000．80．70．815000．10．10．120000．10．10．1同時對于鋼、銅、鋁材料各個溫度下的材料密度、泊松比、傳熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)、比熱容，設(shè)定為常數(shù)，如表2所示。========================================第2頁========================================表2鋼、銅、鋁的物理常數(shù)材料材料密度/（kg·m－3）泊松比傳熱系數(shù)/［w

6、·（m－1·℃－1）］線膨脹系數(shù)/（1·℃－1）比熱容/（kg·℃）鋼78000．316．31．06×10－5502銅89000．33．931．66×10－5385鋁48500．37．449．36×10－6544圖1剖面幾何尺寸及路徑path11．2有限元模型的建立和網(wǎng)格劃分焊接的能量密度非常高，有效加熱區(qū)域非常小，因而在網(wǎng)格劃分時，要求在焊縫附近采用很小的網(wǎng)格尺寸，而在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域可以選擇較大的網(wǎng)格尺寸，為此本有限元模型在網(wǎng)格劃分方面，為保證模擬精度，劃分單元長度為0.05m，在焊縫區(qū)的單元予以局部加密，單元長度為0.025m，并向周邊盡量均勻地過渡，同時

7、為了便于單元的重生、進(jìn)行重啟動分析和重新加載的操作，采用了映射網(wǎng)格劃分技術(shù)，單元形狀為四邊形。另外為了保證應(yīng)力一溫度這兩個自由度的相容，采用了2D幾何模型。用直接耦合場法進(jìn)行分析，因此選用了4節(jié)點(diǎn)的PLANEl3耦合場單元類型。最終的有限元模型如圖2。圖2有限元模型及所加荷載1．3焊接熱源的處理（1）由于焊縫金屬加熱升溫階段極其短暫，本文對熱源加載這一過程簡化處理，直接將焊料金屬溫度初始溫度假定為某一定值（1500℃），1對焊縫單元進(jìn)行順序加載。（2）利用DO循環(huán)將焊料區(qū)的單元按其形心Y坐標(biāo)排序，排好的單元存放在定義的數(shù)組中，這一過程可用APDL語言程序?qū)崿F(xiàn)，

8、保證了模擬焊料由下向上逐步“生長”的過