焊接仿真CAE在叉车门架焊接变形中的应用研究

文/杨汉才 李晓华

焊接仿真CAE是在实际产品焊接加工前，通过三维建模和有限元分析技术，对焊接加工过程进行仿真模拟。它可以模拟材料机械、物理和冶金等三方面性能的变化过程和结果，从而获得整个热加工过程中的温度场、应力场、变形等各种信息；利用这些信息，优化焊接工艺参数和工艺方案，提高焊接质量，更进一步为产品变形分析和残余应力分析提供足够的理论依据。运用CAE仿真技术可以模拟装夹条件、焊接顺序等对焊接变形和应力影响，从而优化装夹条件和焊接顺序，提高和确保焊接件质量。

一、创建有限元模型

首先运用三维软件建立承载部件实体模型，然后将模型导入焊接CAE仿真软件中，在软件中创建有限元模型。这里将焊条和母材材料均设为Q345钢，采用6面体单元对承载结构件进行网格划分。为提高计算效率并保证计算精度，对焊缝区单元局部网格细化，远离焊缝区的单元尺寸可以设置大一些。焊缝模型采用软件自动生成，焊缝总长度为3米。创建的有限元模型，如图1所示。

二、热源模型选择

对于焊接数值模拟来说，焊接热源模型是描述焊接过程的重要条件。为了准确计算焊接热循环过程，工程人员依据经验选取双椭球热源模型。双椭球热源模型的能量密度分布比较适用于手工氩弧焊、熔化极气体保护焊和钨极氩弧焊等焊接方式，其示意图如图2。结合实际熔池形貌，通过多组模拟最终确定两种焊缝的焊接参数和热源模型参数，如表1。

三、边界条件及焊接顺序

本次模拟的机械边界条件主要以现有夹持装置设置边界条件，包括支撑板、夹持力和左右支撑面的设置，其中夹持力大小依据现有装备设置为1KN。边界条件持续时间为整个模拟过程。散热及传热边界条件选择默认，环境温度设为20℃。

焊接顺序，按照预先设定焊接顺序进行模拟。

图1：门架承载结构件有限元模型

图2：高斯双椭球热源模型示意图

图3：焊后总变形量分布及分变形量分布云图

图4：两槽钢不同位置截面距离（放大20倍）

表1： 两种焊缝的焊接参数和热源模型参数

四、模拟焊接变形分析结果

该模拟过程分为焊接和冷却两个阶段，焊接过程中会产生较大的焊接变形，并随着焊接的进行，变形不断增加或抵消，在冷却后两个槽钢会产生最终的焊后变形。尽管门架上34条焊缝关于YZ平面对称，但由于只有一个焊枪作用，最终两侧产生的焊接变形也是不同的。而在Y正方向上有支撑台面的约束作用，以及在Z方向产生的变形量较小可以忽略不计，在X方向上会产生较大的纵向弯曲及扭曲变形，因此只需研究X两个方向和Y负方向变形即可。为观察方便，对其变形程度进行20倍放大处理。

如图3所示，分别为焊后门架整体总变形量云图及槽钢沿X方向和Y方向分变形量云图。可以看出，门架在X方向产生了较大的纵向弯曲变形，其整体总变形量最大为2.76mm，槽钢中间油缸支座处向内凹，两端向外弯曲并伴有一定程度的扭曲变形，沿X方向最大变形量2.01mm，沿Y负方向最大变形量2.5mm。两根槽钢变形趋势基本一致。

为进一步观察两槽钢的不同位置的开档大小，沿XZ平面选取不同截面进行观察测量，截面位置及结果，如图4所示。可以看出，放大20倍后，所选取截面上开档最大距离约为663.3mm，最小距离约为658.8mm。

五、结束语

CAE仿真模拟焊接变形结果，经过与实际对比，变形趋势基本一致。焊接仿真CAE技术能够预测焊接零部件在一定条件下，焊接变形发生部位，甚至变形的大小数值。后续通过改变边界条件和焊接顺序，多次模拟后可以找出最优化的工艺保障条件，从而有效指导实际生产。焊接仿真CAE是更为复杂的仿真技术，涉及因素多，计算量大，随着智能制造发展，近年来正逐渐在企业中实际应用。