叉架体焊接变形及应力分布数值模拟

段全军，姚喻淇

（1.杭叉集团股份有限公司，浙江 临安311305；2.西北工业大学 航空学院，西安710072）

0 引言

随着国内经济的发展，叉车已成为仓库等场地常用的搬运车辆之一，而叉架体作为叉车实现搬运功能的主要部件，其对于叉车的重要性不言而喻。一般而言，叉架体是将材料用焊接的方式结合在一起生产而成，其焊缝的条数可达到几十甚至上百条[1]，而焊接过程中带来的热量必然会导致材料产生变形，并在一些部位留下残余应力，不同的焊接顺序带来的变形量及其导致的残余应力也是不同的[2，3]，因此，将有限元方法引入到叉架体焊接工艺设计中，可以为叉架体焊接工艺提供重要的设计依据[4，5]。

本文首先使用Hypermesh 软件对叉架体的三维数模进行几何修复并划分网格，随后将该模型导入Simufact.Welding 软件对其焊接过程进行仿真，通过焊缝编号确定其焊接顺序[6]，采用高斯双椭球热源模型，在此基础上设置了合理的热边界条件以及其他相关的求解参数[7]，最终得到了叉架体焊接结束后的温度分布情况、应力分布情况及变形分布情况，该结果可为叉架体焊接工艺提供重要的设计依据，并可用于焊缝顺序的进一步优化，从而达到最小的焊接后残余变形。

1 有限元模型

1.1 网格模型

叉车部件的三维数模在叉车设计部门专业的三维绘图软件中完成，然后导出成IGES 格式的文件，再借助Hypermwsh 软件导入该文件，对其进行几何修复，修复后的模型如图1 所示。

图1 修复后的叉架体模型

接着划分出可用于Simufact 软件计算的网格模型，该模型划分网格时主要采用六面体单元，对于某些不规则部分的边界采用棱柱单元进行网格划分，为保证仿真结果误差较小并提高仿真效率，故选取较大的单元尺寸，其网格模型如图2 所示。

图2 叉架体的网格模型

1.2 焊接设置

本仿真中叉架体的焊缝顺序如图3 所示，并且为了方便对焊缝进行分段，以三维几何模型中焊缝所在的自然线段的每段为一条焊缝。

图3 焊缝顺序示意图

实际焊接中采用的材料为Q345，而在simfact 材料库中并未提供该种材料，在所有部件材料和焊枪材料均使用软件中与之相近的德标为S355J2G3 的材料，对应中国材料标号为Q355。仿真环境温默认设为20°。

为方便提高计算速度，本仿真中叉架体结构中均使用的是大热源简化的方式来求解。大热源简化是一种可以提高计算效率的简化方式，其原理是忽略了焊接过程中对焊缝质量的检测，而把计算的重点放在了应力、应变及温度场相关的数据上，由于本文的主要研究点在于焊接的变形量及残余应力，故在焊接仿真时熔池形状可省略不作考虑。

1.3 边界条件设置

本仿真中应用了点固连接。点固被用于粘接两个工件，在实际工装中，在一个地方有“胶合”作用，在此附近会保持节点运动的一致性[8]。在Simufact 仿真中，选择该处网格的节点位“点固”。当电阻焊的过程本身不作为仿真考虑对象的时候，点焊就可以使用这种点固连接作为边界条件来仿真[9]。

在叉架体的焊接仿真中，为防止部件与部件之间发生刚性位移，均采用上述的点固连接方式进行约束。由于焊缝的起点或终点一般位于部件的拐角处，故将部件的拐角处设置为点固连接的位置。

2 计算结果

Simufact 具有较为强大的后处理功能，其可以将仿真所得的数据直接绘制成各种云图供用户查看，另外Simufact 软件中的Simufact.Welding 模块可以仿真焊接的全过程，能够将模型在整个焊接过程中的温度场、变形场和应力场写入结果文件中，并可以将其直接制作为动画。

2.1 温度分布云图

图4 为整个焊接过程中最高温度分布云图，该图可以直观的反映出焊接过程中每个位置的最高温度，该结果可为分析焊接过程中的热传导提供重要参考。由该图可以明显看出，焊接的整个过程中，最高温度可达1 500 ℃，而最低温度与环境温度接近，为20 ℃。

图4 焊接过程中最高温度分布云图

图5 为焊接完毕后的温度分布云图，由该图可以看出，在焊接刚结束时，叉架体大部分区域的残余温度在200 ℃左右，其中，残余温度的最高值位于最后一条焊缝处，其数值已超过300 ℃。

图5 焊接结束时的温度分布云图

2.2 应力分布云图

图6 为焊接完毕后的应力分布云图，由该图可以看出，经历了整个焊接过程后，叉架体的最大残余应力可达到623 MPa，其位置位于铰片的焊缝处；而部分区域并没有产生残余应力，这些区域具有一个共同点——他们都位于距离焊缝较远的位置。

图6 应力分布云图

叉架体所用的材料为S355 钢，其屈服应力为355 MPa，图7 所示为屈服区域图，该图中将材料屈服应力（即355 MPa）设为阈值，由此可以看出，残余应力高于阈值的区域主要集中在焊缝附近，由于该区域的变形是永久塑性变形，故其对于叉架体的性能有较大影响。由该图可以看出，该区域相对于整个叉架体而言，其面积较小。

图7 屈服区域图

2.3 变形分布云图

图8 为焊接完毕后的总变形分布云图，由该图可以看出，经历了整个焊接过程后，叉架体的最大变形约为2 mm，位于耳片附近。

图8 总变形分布云图

3 结论

本文针对叉车叉架体的三维有限元模型进行了网格划分，通过焊缝编号确定其焊接顺序，采用高斯双椭球热源模型，在此基础上设置了合理的热边界条件以及其他相关的求解参数，最终得到了叉架体焊接结束后的温度分布情况、应力分布情况及变形分布情况。

Simufact 软件具有较为强大的后处理功能，其可以将仿真所得的数据直接绘制成各种云图及动画供用户查看，除此之外，该软件还具有良好的操作界面，其Simufact.Welding 模块能够完成对于复杂焊接过程的有限元仿真，并提供用户所需的多项输出。

本文中采用的网格模型、热源类型、焊缝顺序及属性等与实际的焊接情况十分接近，并可以推广到类似的焊接问题求解中，仿真中得到的温度场、变形场、残余应力场具有一定的工程参考价值。最后，本仿真模型可以用于对于焊缝顺序的进一步优化，以求达到最小的焊接后残余变形。