平面应变模型试验台焊接变形分析及控制研究

苏薇国, 王培俊, 周冰峰, 吴淑定

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)



平面应变模型试验台焊接变形分析及控制研究

苏薇国, 王培俊, 周冰峰, 吴淑定

(西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031)

摘要：针对传统平面应变模型试验台下台面因焊接变形而导致平面度难以保证的问题，提出一种新的解决思路及利用变形补偿的新方法。利用SYSWELD焊接分析软件和ANSYS有限元软件分别计算模型焊接变形量和静载变形量，修正焊接工艺和静载加载位置，使焊接热变形和静载变形得到相互补偿，从而保证了下台面的平面度。实践证明反变形补偿方法相对于传统的焊后机加工或者焊后矫正变形的方法具有更高的平面度和更好的经济性。

关键词：焊接变形；变形补偿；角变形；试验台

0前言

焊接是现代制造业中最为重要的材料成形和加工技术之一，焊接制造技术的发展对我国成为制造强国有着极为重要的意义[1]。但焊接过程中容易产生各种焊接变形，不仅影响结构的装配，更重要的是影响结构的可靠性，因此必须采取措施加以控制[2]。

文中研究的平面应变模型试验台主要是根据物理相似模拟理论模拟地下隧道衬砌的结构受力，也可按照相似比模拟隧道开挖[3]。试验台可用于地下工程方面的试验，以便对隧道衬砌结构受力及破坏形式有更加清晰的认识。大多数科研单位利用试验台分析地下洞室变形及岩爆，进行模拟列车隧道开挖方面的科学研究[4]。试验过程中，为使相似材料和衬砌模型放在一个准平面上，必须严格控制焊接变形保证下台面的平面度，从而尽量减少因试验台自身结构所产生的试验误差。

国内外广泛使用的地质模型实验台主要存在问题如下：

1) 由于焊接工艺及加工技术问题使试验台产生较大的焊接变形，因而难保证相似材料及衬砌模型是在一个平面上。试验时大多是在一个准平面或者曲面上进行，影响试验结果的科学性和准确性。

2) 模型试验台的装置尺寸太小，做实验时需要很大的相似比，实验后的得出的数据与实际情况偏差比较大[4,5]。

通过建立下台面的三维有限元模型，借助ANSYS有限元软件和大型虚拟焊接软件SYSWELD，参考计算出的热变形和静载变形结果，修正焊接工艺和静载加载位置，控制下台面的变形，最终达到热变形和静力变形相互补偿，保证下台面上表面的平面度效果。

1有限元模型的计算

1.1　试验台总体结构与单元网格的划分

图1为研制的平面应变试验台主体框架结构，下台面主要用于存放相似材料和衬砌模型，结构比较复杂。

图1　平面应变试验台三维模型

SYSWELD是焊接专业类CAE软件，其向导技术可以根据不同工艺参数及模拟要求，智能化地选择所需的求解器进行相应的计算分析[6]。用SYSWELD进行焊接过程数值计算前，网格划分是十分关键的步骤。首先对有限元模型进行简化，由于试验台的下台面是关于xoz和yoz平面对称结构，所以导入Visual mesh之前截取下台面的1/4模型，模型的三维尺寸为1.5m×0.75m×0.45m。划分网格时，考虑到项目周期及计算结果精度，在焊缝区及近焊缝区网格划分较密，其他区域网格划分较疏，这样既可以保证工件关键部位的计算精度，又可以减少整体的节点个数，缩短计算时间。本文采用三维8节点六面体单元划分网格[7]，节点总数为164686个，共129594万个单元。

1.2　材料性能参数

试验台由厚度为16mm的Q345-B钢板焊接而成，计算过程中考虑材料物理性能参数随温度变化，所选材料的各种热物理性能参数及力学性能参数随温度变化曲线由SYSWELD自带数据库给出。Q345-B的导热系数、密度、比热、弹性模量、线膨胀系数、屈服强度随温度的变化数据取自SYSWELD材料数据库。

1.3　焊接方案

设定焊接方案：焊接方法为手工电弧焊I=160A，U=20V，焊接速度V=2mm/s，焊接线能量为1280J/mm，焊接热效率η=0.75，模型的三块肋板开双面单边50°V型坡与底板焊接，焊脚高度为8mm，钝边2mm，间隙2mm的焊缝形式，外部采用连续角焊缝[8]结构一共有48条焊缝，焊接时间为2.38h，冷却时间为4h，所有的焊缝均采用对称焊的方式焊接计算。

1.4　模拟结果及分析

经计算，1/4下台面的焊接变形结果如图2所示。

图2　焊接总变形云图

对图2进行分析，可以得出以下结论：

1) 焊接产生横向收缩，使结构尺寸受到影响并造成侧板内凹。

2) 三块组成反力梁的肋板变形趋势相同，边上侧板(x=0)变形最大，底面向上鼓起变形，从底部到顶部向上鼓起变形逐渐减小。

3) 底板上焊缝分布较多且密集，焊接断面大，输入热量多，引起结构纵向缩短而使结构在长度方向(y方向)上出现弯曲。

4) 底板变形使得结构平面度不符合技术要求，模型最大焊接热变形为5.7mm，且焊接变形形状近似一个从中间向上凸起的上椭球面。

2试验台焊接变形控制与形状补偿

2.1　静力分析计算

将试验台的三维模型导入ANSYS中，划分网格后加载，其中单根反力梁受两个60T液压缸的反作用力，受力点的间距为1.3m，如图3所示。计算出试验台结构z方向的变形，如图4所示。从图中可以看出结构的下台面整体向下塌陷，向下最大变形为2.0mm。

图3　加载结构图

图4　静力加载变形云图

2.2　平面度的控制

根据计算结果，在zoy平面沿y方向取点，绘制出下台面最上表面的变形图，如图5所示。

图5　下台面中间变形平面变形曲线图

综合焊接变形与静力加载变形，试验台要达到的目的是利用形状补偿保证下台面的平面度，而根据理论计算结果，平面处在x=0焊接最大变形比静载最大变形的绝对值要大2.0mm左右，因此必须通过合理的焊接工艺或受力矫正等方法，对结构进行一定的焊接变形矫正，使焊接变形缩小。本焊接结构在实际焊接工艺中，焊接近似是三体的箱型结构，肋板和筋板主要是T形焊接，肋板相当于翼板，而筋板相当于腹板，T形焊缝不可避免地引起底板的角变形[9]。根据其变形机理，中间加强筋板的角变形可以采用平衡原理进行控制。

用试验台试验时，试验台台面静载变形得到了有效的补偿，最终试验台平面度在1mm左右，较好地满足了试验台下台面平面度要求。

4结论

利用变形补偿的方法，较好地解决了平面应变模型试验台下台面因焊接变形而导致平面度难以保证的问题。通过建立试验台三维模型并导入SYSWELD焊接分析软件，计算结构的焊接变形量，利用ANSYS软件计算试验台下台面在实际加载情况下的静力变形，比较分析变形结果。根据理论计算结果，利用焊接角变形平衡原理控制变形，优化实际焊接工艺与设计方案，控制下台面的实际焊接变形量及变形形状，使其大小近似于静力加载后变形量。由于静力加载变形方向与焊接变形方向相反，二者的变形量得到相互补偿，从而保证了下台面的平面度。实践证明通过反变形补偿的方法，下台面的平面度控制在1.0mm之内，较好地满足了试验台平面度的要求。

参考文献:

[1] 李晓延，武传松，李午申.中国焊接制造领域学科发展研究[J]．机械工程学报，2012,48(6):19-20.

[2] 谢秉顺，王兴元. 铁路客车底架牵引梁改进及加工工艺[J]．机械制造与自动化,2013,42(4):76.

[3] 张雨强．一种新型物理相似模拟实验架结构设计[D]．西安: 2008:1-6.

[4] 张强勇，李术才，李勇，等．地下工程模型试验新方法、新技术及工程应用[M]．北京：科学出版社，2012(6):43-44.

[5] 超大型岩土工程三维模型试验系统[P]. 山东大学，2011.

[6] SYSWELD Engineering Simulation Solution for Heat Treatment and Welding Assembly http://www.convia.fi/files/ESIGroup_brochure.pdf.

[7] 田昕，黎向锋，左敦稳，等. 基于有限元带隔板双槽钢焊接梁焊接仿真优化[J]．机械制造与自动化,2013,38(1):54-57.

[8] 费新华, 高国兵. 大型钢结构件制作中焊接变形控制技术[J]．2006钢结构焊接国际论坛文集，2006:144-145.

[9] 中国机械工程学会焊接学会．焊接手册[M]：第3卷．北京：机械工业出版社.1992．

Welding Deformation Analysis and Control of Plane Strain Model Test Rig

SU Wei-guo, WANG Pei-jun, ZHOU Bing-feng, WU Shu-ding

(Southwest jiaotong University, School of Mechanical Engineering, Chengdu 610031, China)

Abstract:Because of welding deformation, it is difficult to guarantee the flatness of the existing rock plane strain model test rig’s supporting table. Therefore, a new solving idea, deformation compensation is proposed. The amount of welding deformation and static load deformation are calculated by utilizing welding simulation software SYSWELD and finite element software ANSYS. In order to make the welding thermal deformation and static load deformation be compensated with eath other the welding process and static loading position are optimized to ensure the flatness of the supporting table. it is proved in practice that compared with conventional machining after welding or after welding distortion correction method, anti-deformation compensation method is better in the flatness and economic value.

Keywords:welding deformation; deformation compensation; angular deformation; test rig

中图分类号：TG404

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0123-02

作者简介：苏薇国(1987-)，男，湖南汨罗人，硕士研究生，研究方向：机械设计及理论。

收稿日期：2014-08-05 2014-10-24