基于SYSWELD的局部模型多层多道焊模拟仿真

张旭，瞿海雁

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063009；2.中建钢构有限公司，北京 100026)



基于SYSWELD的局部模型多层多道焊模拟仿真

张旭1，瞿海雁2

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063009；2.中建钢构有限公司，北京 100026)

多层多道焊；热源校核；热循环曲线法

对于采用“局部-整体”法对大型构件进行的焊接装配模拟，局部模型的计算精度对整体结果有决定性的影响。本文通过SYSWELD软件利用“热循环曲线法”对厚板多层多道焊进行焊接模拟。针对多层多道焊接模拟计算，热循环曲线法能够解决传统热源模型加载引起的求解时间长、计算结果难以收敛无法得到计算结果的问题。首先建立实体三维模型，通过热源校核修正热源输入参数，之后提取热循环曲线作为热源进行多层多道焊焊接模拟，获得温度场、应力场以及变形结果。通过有限元模拟，为整体模型计算提供可靠局部模型结果。

0引言

随着近年超高层建筑迅速发展，钢结构建筑越来越普遍。而钢结构最主要的连接形式为焊接，焊接变形及残余应力直接影响到整个结构的受力性能以及美观性。针对大型钢结构构件，拟采用“局部-整体”法思想进行焊接装配模拟，局部模型模拟结果的精度对于“局部-整体”法计算的精确性有决定性的影响。以局部模型即厚板多层多道焊为研究对象，采用“热循环曲线”法对焊接温度场、应力场和变形进行有限元计算并分析[1-3]，为整体钢结构模型计算提供可靠的局部模型结果。国内对多层多道焊处理的常用方法有生死单元法、固有应变法和单元软化法[4-5]。SYSWELD软件中的"热循环曲线"法的原理为单元软化法，即在整个模拟过程中已焊接单元、正在焊接单元以及待焊接单元同时存在，对所有单元的赋予很小的弹性模量以及热传导率值，使其在未焊接时不参与热量传递的过程，而在焊缝单元参与焊接时，使其热弹性模量与热传导率恢复正常值，通过此种方法简化多层多道焊模拟过程[6]。

1模拟思路

焊接是一个包含机械、热传导和金属冶金的过程，是非线性有限元问题。而对厚板多层多道焊进行焊接模拟更为复杂，本文采用“热循环曲线”法进行模拟计算[7]。首先通过热源校核对比模拟结果与实际焊接结果，更改输入参数使得模拟结果中熔深与熔宽与实测相同。之后将校核过后的热源加载到单一焊缝求解，在后处理中提取热循环曲线，将其作为热源加载到各个焊缝后得到计算结果。技术路线如图1所示。

2有限元模型建立

本文采用Q390GJC钢材，厚度为 50 mm，有限元模型宽度为 200 mm，高度为 400 mm，焊接形式为对接，采用CO2气体保护焊，共10道焊缝。在建模过程中对焊接模型进行网格划分，网格划分数量直接影响到计算效率的高低以及计算结果的精确性。为了在保证精度的同时提高效率，对焊缝附近处的网格进行精细划分，对远离焊缝区域的网格进行稀疏划分，并定义SYSWELD软件焊接模拟所需单元组，定义母材组C1、C2，散热面AIR，焊缝组WELD，焊接线和参考线WL、 RL，焊接起始点、结束点和起始单元SN、EN和SE，并定义边界组UXYZ,建模结果如图2所示。

图1　技术路线图

(a)　三维模型　　　　　　　　　　　　　　(b)　焊接顺序

3有限元计算

3.1热源校核

在进行焊接有限元模拟的整体过程中，模拟结果的准确性取决于热源输入参数，SYSWELD软件热源库中含有双椭球热源、2D高斯热源和3D高斯热源。针对CO2气体保护焊，常用双椭球热源对其进行模拟，前后椭球热源模型输入函数分别为：

图3　双椭球热源模型

焊接方法焊条或焊丝牌号焊条或焊丝Ф/(mm)焊剂或保护气保护气体流量(l/min)电流/(A)电压/(V)焊接速度(m/min)预热温度/(℃)GMAWCHW⁃50C61．2CO245～50230～25025～2725～3020

Qf和Qr分别为2个函数输入能量，分别取值1.2和1.0；af和ar分别为双椭球前后半轴长度，取值3和4.5；b和c为熔宽熔深，取值3.6和4.0。通过热源校核功能将实际焊接后的截面图与模拟图对比，修改输入参数，使模拟图中熔深与熔宽与实际相符。

图4　热源校核

3.2多层多道焊计算

首先通过热源校核将修正过的热源输入参数加载到一道焊缝并进行后处理，提取0～70 s热循环曲线，作为多层多道焊焊接热源。将提取的热循环曲线作为输入热源加载到多层多道焊模型中。

图5　热循环曲线

4模拟结果分析

4.1温度场分析

焊接过程是一个热量传导的过程，由于短时间内热量加载到构件上，不同区域温度场会有较大差异。进行模拟并查看结果可以有效预测焊接时温度场情况，焊缝温度场云图如图6所示。

(a)　第1道焊缝温度场　　　　　　　　　　　　　　(b)　第2道焊缝温度场

(c)　第3道焊缝温度场　　　　　　　　　　　(d)　第10道焊缝温度场

从图6可以看出，在焊接过程中短时间内热量加载的焊接构件上，温度随着时间迅速升高。由于采用热循环曲线法进行多层多道焊模拟，即将提取的热循环整体加载到每一条焊缝上，所以图6中可以看出，整条焊缝的温度是同时变化的，并不是随热源移动而发生不同变化。不同焊缝焊后最高温度基本相同。在最后一道焊缝完成后整体温度场未发生较大变化。

4.2变形分析

焊接过程是一个热量传递的过程，可以看作是对热输入参数微分方程的求解问题。焊接变形的存在直接影响到构件质量、安装精度以及受力性能，并影响结构外观。通过SYSWELD后处理观察变形结果如图7所示。

(a)　X方向变形　　　　　　　　　　　　　　　(b)　Y方向变形

(c)　Z方向变形　　　　　　　　　　　　　　(d)　整体变形

焊缝X方向Y方向Z方向整体变形10．3570．1700．1620．61320．5090．3130．2840．73830．7290．3820．4250．83340．9740．8090．6971．05851．6740．9850．6321．73862．8951．0990．6992．93272．9251．1610．7552．96883．3091．2060．8023．34693．6301．2320．8903．665103．7101．2550．9843．750

从图7中可以看出，在多道焊的过程中由于焊缝收缩造成焊后构件发生变形，在3个方向中X方向变形量最大，对整体变形影响最大，Y和Z方向变形相对较小。从各焊缝变形表得知，在焊接初期，变形量较小，随着焊接的进行，变形逐渐加大，第5道与第6道焊缝变形值有较大波动，到第10道焊缝焊接结束，前几道焊缝散热完成，焊缝处温度下降逐渐冷却到室温，焊接整体变形值相比会有所下降，所以最终几道焊缝的变形波动较小。

4.3应力结果分析

在焊接过程中，由于热量在短时间内集中加载到焊缝区域,使得整体结构在焊接过程产生不均匀温度场，引起的局部塑性变形直接影响到焊接应力和变形的产生。。常用分析方法有经验法、固有应变法、热弹塑性法、人工神经网络法、考虑解析法和线弹性收缩法[8-9]。SYSWELD采用热弹塑性法对焊接整体过程进行计算分析，得到应力与应变。应力如图8所示。

图8　应力图

通过图8可以看出，在焊缝区域附近应力值较大，远离焊缝区域应力值较小，在应力值较大的焊缝区域，对构件强度、刚度、受压杆件稳定性、加工精度和尺寸稳定性有较大影响。需通过更改焊接工艺以及焊后热处理在最大程度上降低焊后残余应力。

5结论

(1)应用热循环曲线法对多层多道焊模拟，焊缝附近区域随着焊接的进行温度迅速升高，且整体焊缝温度同时变化，温度场云图结果在不同焊缝结束后未发生较大变化。

(2)多层多道焊在焊接开始的阶段内，焊接变形波动不大，在焊缝区域温度升高后，受温度场影响，焊接变形较大。在完成最后几道焊缝焊接时，由于已完成的焊缝逐渐冷却，会减小对焊接变形量的影响。

(3)通过有限元模拟，多层多道焊在焊缝处应力较为集中，通过焊接模拟为实际操中降低焊接变形与残余应力提供了理论指导。

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Simulation of Local Model Multi-pass Welding Simulation Based on SYSWELD

ZHANG Xu1, QU Hai-yan2

(1.College of Civil and Architectural Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China;2.China Construction Steel Structure Co. Ltd, Beijing 100026,China)

multi-pass welding;check of heat source;thermal cycling curve method

For the welding assembly simulation of the large component using the local-global method, the accuracy of local model has a decisive effect on the whole results. The thermal cycling curve method is used to simulate the welding of multi-pass welding by SYSWELD. For simulation of multi-pass welding, thermal cycling curve method contributes to solve problems of long processing time for loading traditional heat source model, unobtainable calculation. Firstly, solid three-dimensional model was established, then the parameters were corrected by check of heat source. Thermal cycling curve was extracted as the heat source for multi-pass welding simulation, and then the temperature field, stress field and deformation results were obtained. The finite element simulation provides reliable local model results for the whole model calculation.

2095-2716(2015)04-0027-07

TG404

A