q460q鋼板不同焊接速度下的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究

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1、Q460q鋼板不同焊接速度下的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬研究　　摘要：本文以高強(qiáng)度橋梁鋼Q460q焊接接頭為研究對(duì)象，利用數(shù)值模擬軟件對(duì)橋梁用高強(qiáng)度鋼板Q460q在不同焊接參數(shù)下焊接過程的溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬，了解焊接過程中任意截面的溫度梯度，有助于理解焊接過程中應(yīng)力的成因，確定最佳參數(shù)，優(yōu)化焊接工藝。模擬計(jì)算結(jié)果表明，三層焊接的最佳焊接工藝參數(shù)為：焊接速度5.2mm/s，焊接熱功率分別為15000W，16500W和18000W?！　￡P(guān)鍵詞：Q460q鋼板；ANSYS11.0；焊接溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬　　由于焊接是一個(gè)局部

2、快速加熱到高溫，并隨后快速冷卻的過程，隨著熱源的移動(dòng)，整個(gè)焊件的溫度隨時(shí)間和空間急劇變化，材料的物理性能參數(shù)也隨溫度劇烈變化，同時(shí)還存在熔化和相變潛熱現(xiàn)象。因此，焊接溫度場(chǎng)的分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。因?yàn)楹附訙囟葓?chǎng)分布不均勻，在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的焊接應(yīng)力和變形?！　⊥ㄟ^研究，本文在試驗(yàn)測(cè)試和模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上建立了橋梁鋼Q460q在不同焊接參數(shù)下三維焊接溫度場(chǎng)的模擬分析方法，為國產(chǎn)橋梁鋼板的開發(fā)提供了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為熔焊橋梁鋼焊接工藝過程相關(guān)參數(shù)的選擇提供了參考依據(jù)，為復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行

3、三維焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形的分析提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)，促進(jìn)了有限元分析技術(shù)在焊接力學(xué)分析中的應(yīng)用?！　∫弧⒑附訙囟葓?chǎng)數(shù)值模擬的特點(diǎn)3　　焊接過程的數(shù)值模擬具有下述特點(diǎn)：（1）模型是三維的，至少在焊接區(qū)域如此，以反映內(nèi)部和表面的不同冷卻條件。（2）由于快速加熱和冷卻，模擬的過程是高溫瞬態(tài)的，具有與位移和時(shí)間相關(guān)的極不相同的梯度場(chǎng)。（3）由于材料的熱一力行為，模擬的過程是高度非線性的，并與溫度密切相關(guān)?！　囟葓?chǎng)的模擬是對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及焊接過程其他現(xiàn)象進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)，同時(shí)通過溫度場(chǎng)的模擬還可以預(yù)測(cè)焊接熔池形

4、狀，滿足設(shè)計(jì)要求，防止諸如未熄透、燒穿、咬邊、熔池等缺陷的產(chǎn)生?！　《⑽锢砟Ｐ偷慕ⅰ　〔捎肁NSYS軟件建模，材質(zhì)為Q460q鋼板，焊接過程是一個(gè)加熱非常不均勻的過程，焊縫處溫度梯度變化很大，其產(chǎn)生的應(yīng)力分布也不均勻，劃分網(wǎng)格時(shí)一般在焊縫及其附近的部分用加密的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，能量傳遞緩慢，應(yīng)力分布梯度變化相對(duì)較小，這時(shí)可以采用相對(duì)稀疏的單元網(wǎng)格。總之，在保持精度的同時(shí)減少網(wǎng)格的數(shù)量。而具體到本課題的特點(diǎn)，如果繼續(xù)采用溫度場(chǎng)計(jì)算的網(wǎng)格大?。?mm），則使得計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)（大約十幾天左右），因此，為

5、了縮短計(jì)算時(shí)間，采用了相應(yīng)的大網(wǎng)格劃分。具體網(wǎng)格劃分情況見圖1與圖2?！　　觥　D1網(wǎng)格劃分平面圖圖2網(wǎng)格劃分立體圖　　三、計(jì)算過程控制　　焊接屬于大應(yīng)變問題，設(shè)定分析選項(xiàng)時(shí)，須將NLGEOM置為ON。此外，采用Full3Newton一Raphson（牛頓一拉普森）方法進(jìn)行平衡迭代并激活自適應(yīng)下降功能、打開自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)和時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)以加快計(jì)算收斂。時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)與溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)的設(shè)置一樣。施加載荷時(shí)，讀入熱分析的節(jié)點(diǎn)溫度并指定相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)或載荷步即可。設(shè)置的參考溫度值應(yīng)與熱分析中設(shè)置的初始溫度值一樣?！　∷?、后

6、處理　　ANSYS提供兩種后處理方式，分別為通用后處理器（POST1）和時(shí)間歷程后處理器（POST26）。POST1可以對(duì)整個(gè)模型在某一載荷步（時(shí)間點(diǎn)）的結(jié)果進(jìn)行后處理，POST26則可以對(duì)模型中特定點(diǎn)在所有載荷步（整個(gè)瞬態(tài)過程）的結(jié)果進(jìn)行后處理?！　≡诤筇幚碇校ㄟ^兩種處理器可查看某一時(shí)間點(diǎn)焊件上各點(diǎn)的各種應(yīng)力、應(yīng)變值或某點(diǎn)的值隨時(shí)間變化的狀況，也可用動(dòng)畫顯示技術(shù)查看焊件在整個(gè)焊接過程中應(yīng)力、應(yīng)變等的動(dòng)態(tài)變化過程。　　五、結(jié)論　　根據(jù)溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果，在橋梁用高強(qiáng)度鋼板Q460q的焊接過程中，當(dāng)焊接速度

7、為V=4mm/s時(shí)，焊件被焊穿；當(dāng)焊接速度為V=6mm/s時(shí)，焊縫成型效果不好。因此，選擇最佳焊接參數(shù)為：打底焊時(shí)：U=30VI=500AV=5.2mm/s；二道焊時(shí)：U=30VI=550AV=5.2mm/s；封面焊時(shí)：U=30VI=600AV=5.2mm/s?！　⒖嘉墨I(xiàn)：　　[1]薛忠明.焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)模擬的研究進(jìn)展[J].中國機(jī)械工程，2002，13，（11）.　　[2]田錫唐.焊接結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1981.3