基于ANSYS的钢板拼接焊接收缩量的数值模拟

陈志明++伍斯杰++郭雷

摘要：船体制造过程中焊接收缩量的获取多通过经验总结。本文利用ANSYS软件对开“Y”形坡口拼接的两块钢板进行模拟，通过移动高斯热源模型模拟手工电弧焊焊接过程中热量的输入、通过单元生死技术模拟焊接热源填充和输入过程，并输入材料焓值处理焊接过程的相变潜热，得到焊接过程中不同时刻的温度场。最后，采用间接法顺序耦合分析解决焊接过程中热-应力耦合问题，实现了对两块拼板焊接后收缩量的求解，获得两块矩形钢板焊接拼接总体最大收缩尺寸，结果表明模拟结果与实际基本相符。

关键词：有限元；手工电弧焊；高斯热源模型；单元生死技术；收缩量

中图分类号：U663.2 文献标志码：A

Welding Shrinkage Simulation of Jointed Plate with ANSYS

CHEN Zhiming1，WU Sijie2， GUO Lei3

（1.Guangdong Ocean University， Zhanjian 524088； 2. Sunbird Yacht Co.， Ltd.， Zhuhai 519055）

Abstract： In this paper， welding shrinkage of jointed plate with "Y" - shaped groove is analyzed with the software ANSYS. In the welding simulation， Gauss heat source model and Element birth and death technology is adopted to simulate process of manual arc welding， the enthalpy value of material is input to deal with the latent heat of phase change and to obtain the temperature fields of jointed plate at different times of welding process. At last， welding shrinkage is acquired after the temperature field is switched to the structure field.

Key words： Finite Element Method； Manual Arc Welding； Gauss heat source model； Element birth and death technology； Shrinkage

1 引言

焊接技术广泛应用于部件拼接、分段装配、分段总组、船台搭载等各个船舶建造过程。但焊接过程中，焊缝及附近区域在熔化和冷却过程中，焊缝及附近与周围区域受不均匀的温度影响，焊缝区呈现出残余应力，使焊接后的部件、分段等存在一定的焊接变形，造成分段需现场修整的情况时有发生。长期以来，在分段精度控制过程中对于焊接收缩值主要是通过经验总结获得。因此，从理论上实现焊接收缩量的预测，对于提前评估和控制船体变形、提高分段精度控制水平、实现无余量造船具有一定的现实意义。

2 焊接的有限元方法

焊接的有限元方法同其他热力学问题一样，从傅里叶定律和能量守恒定律出发，材料内部的任何微元体均需满足热扩散方程[1]：

（1）

式中：T（x，y，z，t）为物体的瞬态温度场；kx、ky、kz为三个方向的导热系数；qv为内热源强度；ρ和c为材料密度和定压比热。

温度场热扩散方程描述了物体内部热量扩散和传导的过程，结合边界条件和初始条件，热扩散方程将变成可解方程。

3 移动热源模型及关键技术

3.1 移动高斯热源模型

热源模型是焊接数值模拟的重要部分，通常采用移动高斯熱源模型对手工电弧焊或钨极氩弧焊等焊接过程热量的输入可进行良好的模拟。与点状热源模型相比，移动高斯热源可更真实的模拟实际的热源分布[2-4]。通常，高斯热源以热流密度形式施加到焊缝表面上，其热量分布函数如下：

（2）

式中：U为焊接电压；I为焊接电流；R为电弧有效加热半径；η为焊接热效率；r为任意一点至电弧加热斑点正中心的距离。

高斯热源模型的能量分布形式在空间上加热呈现出正态分布（如图1所示），所以高斯热源模型又称为正态分布模型。

3.2 相变潜热的处理

众所周知，焊接过程中焊材是一个从固态转为液态再转为固态的相变过程，因此也将产生相变潜热。作为不可忽略的因素，ANSYS通过输入不同温度下材料的焓值来处理相变潜热问题，即采用热焓法。热焓H通常可用材料密度乘以比热容后对时间进行积分来描述：

（3）

3.3 单元生死技术

焊接过程中热源输入和焊缝填充通常采用生死单元技术进行动态的模拟[5]。所谓单元生死技术是指：计算前将所有的焊缝单元“杀死”（用一个很小的因子乘以其刚度、传导或其他特性的矩阵，使这些特性无法参与计算），但所有的焊缝单元仍然存在于有限元模型中。计算过程中，按顺序将被“杀死”的单元进行逐个“激活”，如同焊缝动态的“生长”过程。

3.4 焊接中热-应力耦合的方法

利用ANSYS进行热分析通常有直接法和间接法两种：直接法选用具有温度和位移自由度的耦合单元，可同时得到热分析和结构应力分析的结果；而间接法则是先在ANSYS中进行热分析，再将节点温度以体载荷形式施加在应力分析中。

由于焊接主要是温度场影响结构场，而结构场对温度场的影响则可以忽略，所以焊接过程的物理场为顺序耦合场，可以采用间接法顺序耦合分析解决焊接过程中热-应力耦合问题。endprint

4 拼板收缩量有限元计算实例

4.1 实例主要参数

图2所示为两块钢板拼接的Y形坡口尺寸，两块钢板拼接的整体尺寸为150mm×150mm×6mm，母材材质为Q235钢，使用手工电弧焊进行焊接，选用直径为φ3.2mm的E4315/J427焊条，焊接速度约为5mm/s，电弧电压选择范围为20～24V，焊接电流选择范围为100～120A，两道焊进行焊接。

4.2 有限元模型

由于采用间接法顺序耦合进行分析，先进行热力学的计算。选用三维热实体单元SOLID70进行热力分析，得到温度场后将其转换为相对应的三维8节点固体结构单元SOLID185进行结构应力分析。在ANSYS中先建立150mm×6mm的焊接断面，然后对该面进行拖拽形成体，随后控制网格尺寸，并通过扫略实现对母材及焊缝有限元网格的划分（如图3所示）。其中，为尽量减少计算量并保证计算精度，对模型分为三块建立几何模型和网格划分：远离焊缝区、焊接影响区和焊缝区。其中焊接影响区的宽度尺寸设置为20mm，各区的网格划分尺寸分别为3mm、1.5mm、0.25mm。在该有限元模型中，单元数目为23040个，节点数目为27755个。

4.3 ANSYS中焊接热源加载技术

ANSYS软件通过编写式（2）的场函数实现高斯热源模型的加载，通过ANSYS参数化设计语言APDL编写命令流实现焊接模拟的自动化：利用*DO和*ENDDO命令组成的循环语句实现热源的移动、单元的“生死”成长过程，以及在相应的单元上加载热流载荷；运用TIME命令，通过指定瞬态热分析中载荷步停止的时间，控制着整个焊接移动加载和单元“生长”速度，实现焊接热源准确加载[8-10]。

5 有限元计算结果及分析

5.1 焊接温度场计算结果及分析

在温度场的计算过程中，模拟了两道焊的施工过程，即焊完第一层焊缝后再焊第二层。在ANSYS模拟中，将室温设置为25℃模拟焊接冷却过程中空气的对流，其中第一道焊到第二道焊的间隔时间为30s。图4为动态显示两道焊在焊接过程中不同时刻温度场的温度云图。

从图4可以看到，在焊缝过程的不同时刻，焊接热源移动到相应的位置时焊缝中心温度急剧地上升，该处温度可从室温25℃左右迅速上升到1000度以上，最高温度可达到2000℃以上；随着焊接热过程的继续，热源开始向前移开，原来的焊缝中心则快速冷却，温度也快速的下降。

5.2 热-应力耦合

在得到不同时刻的温度场后，在ANSYS中将热分析转入结构分析，通过单元转换、重新设置材料参数、定义边界条件、将节点温度以体载荷的形式施加在应力分析后，实现热-应力的耦合[11，12]。在后处理中，读取钢板在焊缝完全冷却至室温后结构在X方向的应变云图，为图5所示。从图5可以看出，焊缝完全冷却后的两块拼板的变形基本沿焊缝成对称状态，焊接 X方向变形单边的最大数值约为0.49mm。

6 结论与展望

（1）使用ANSYS软件对钢板拼接进行了有效的数值模拟，其中使用移动高斯热源模型和单元生死技术模拟，清晰直观地模拟了焊接热源填充和输入过程；

（2）从所得焊接过程不同时刻的温度场信息中，可以准确得到焊接过程不同位置的温度信息，对以后焊接过程的控制、工艺参数的选定等具有一定的借鉴作用；

（3）焊接X方向变形单边的最大数值约为0.49mm，总体最大收缩尺寸为0.98mm。这与对接焊缝横向收缩经验公式所得结果基本相同：

（4）

（4）有限元方法不仅可以提供横向X方向上的应变信息，还可提供纵向Y方向上的信息，并通过计算可得到相应的角变形数值；

（5）通过两块板拼接焊接收缩量的模拟，将来扩展到整个部件、分段的焊接收缩量的预测，有助于对于提前评估船体变形情况，提高建造过程中分段精度控制水平。

参考文献

[1]胡于进， 王璋奇， 等.有限元分析及应用[M]. 清华大学出版社， 2009.

[2]何宽芳，张卓杰，谭智，成勇. 用于铝合金焊接数值模拟的高斯热源参数确定[J]. 热加工工艺，2015，（11）.

[3]张拓，张宏，刘佳. 激光-电弧复合焊接数值模拟的热源模型[J]. 应用激光，2016，（01）.

[4]贺鸿臻. 热源模型对焊接数值模拟影响的研究[D]. 内蒙古科技大学，2015.

[5]高耀东， 何雪. 基于ANSYS单元生死技术的焊接模拟[J]. 热处理技术与装备， 2010， 39（1）.

[6]CB/T 3190-1997， 船体结构焊接坡口型式及尺寸[S]. 中國标准出版社，1998.

[7]王子. 典型船舶焊接接头应力集中系数有限元分析[J]. 船海工程， 2012， 41（3）.

[8]卢泽民. 焊接残余应力的数值模拟[D]. 宜昌： 三峡大学， 2012.

[9]向月，马国红，张赛钰，叶佳. AZ31B镁合金双弧焊接温度场及残余应力有限元分析[J]. 兵器材料科学与工程，2016，（06）.

[10]罗文臣. 板单元焊接变形的数值模拟与控制研究[D].武汉理工大学，2011.

[11]刘云. 相变和焊接顺序对正交异性钢桥面板焊接变形的影响研究[D].秦皇岛： 燕山大学，2013.

[12]T形焊接接头残余应力与变形的三维数值模拟[J]. 徐琳，严仁军. 江苏船舶. 2007（01）endprint