基于有限元软件T型结构焊接技术应用研究

张 伟， 任晋宇

(武汉交通职业学院， 湖北 武汉 430065)

基于有限元软件T型结构焊接技术应用研究

张 伟， 任晋宇

(武汉交通职业学院， 湖北 武汉 430065)

应用非线性有限元软件对T型结构进行了焊接工艺数值仿真，同时制作了相应模型进行试验，试验内容包括横向、纵向收缩量及角变形的测试。试验完成之后，将仿真数据与焊接模型试验结果进行对比，对比结果表明：数值仿真结果与试验结果吻合较好，验证了利用有限元计算软件在相应的计算条件下进行焊接模拟计算的准确性，可以有效指导实船大构件焊接，提高船舶建造焊接精度。

有限元 T型结构 焊接仿真

1 引言

焊接是船舶建造中的重要工艺方法，一艘船的焊接成本大约占总成本的40%，由此可见焊接对于船舶建造的重要性。对于新型船用钢材料，如何合理地制定其焊接工艺参数、选择合适的焊接方式方法，从而达到减小焊接变形、提高焊接质量，是一项十分重要的工作。以往每当有新型船用钢材应用，就需要编制新的焊接工艺要求及作业指导书，编制过程中免不了需进行大量的焊接试验，以确定最佳的焊接参数及焊接方法,其中依靠了一些经验性的规范，以及大量的多组试验数据，这需要消耗大量的人力、物力与财力。

早在上世纪六七十年代，国内外已经开始对焊接进行数值研究，依托现有的非线性有限元仿真软件开始数值模拟，针对于不同的焊接材料以及焊接参数，通过数值模拟预估焊接变形及其质量，并取得了一系列成果。Dragi[1]研究了残余应力对焊两个相似板的有限元分析；Guan[2]探讨了焊接应力和变形的控制工艺；Lindgren[3]介绍了模拟和焊接的理论；Bouarroud M[4]验证了温度对焊接质量的影响；陈章兰等[5]进行了EH36船用钢焊接角变形有限元分析；谭险峰等[6]对焊接温度场和应力场的热弹塑性有限元分析进行了讨论；梁晓燕[7]对中厚板多道焊焊接过程中温度场和应力场进行了三维数值模拟。

目前，就焊接应力与变形研究来说,主要有两个研究方向，其一是热弹塑性有限元方法；其二是固有应变有限元方法。热弹塑性有限元法跟踪整个焊接过程,从原理上可以分析任何复杂结构的焊接应力与变形,但其缺点是计算量太大以及计算时间太长，因而对于一些大型焊接结构还难以完全实现。

固有应变有限元法着眼于焊接以后在焊缝和近缝区存在的固有应变,不跟踪整个焊接过程。若能找到固有应变大小和分布与焊接参数以及焊件尺寸的关系,那么将固有应变作为初始应变值进行一次弹性有限元计算,就可以得到整个焊件的残余应力和变形,从而显著减少计算工作量。因此，固有应变法能较快较准确地预测焊接变形，并已在大型结构焊接变形的计算中取得成功。

本文先用热弹塑性有限元法计算得出各典型焊接接头的固有应变，再用试验数据与焊接仿真数据对比得到具体比较数值，验证焊接仿真的有效性。

2 T型结构焊接有限元模型

2.1 热源模型

焊接模拟中热源分为表面热源和体热源两种。对于平板对接焊而言，高斯表面热源被经常采用，特别是对于中厚板，其模拟的温度场跟实际结果和理论计算都十分接近；然而对于薄板焊件，由于焊接时板已经完全焊透，其温度分布较均匀，宜采用等热流密度的体热源。对于角接焊，焊接时熔化的焊丝(高温金属)落在焊脚处，应具有均匀分布的热流密度，故模拟时焊脚这一部分的单元应采用等热流密度的体热源。另外，电弧接近板材的表面，使该部分金属得到表面分布的热流，模拟时采用高斯分布的表面热源。

2.2 材料模型

本模型采用船用结构钢10CrNiCuP工程合金钢[8]进行物理试验和仿真分析计算。在计算时选取焊材和母材为同一种材料，并且没有考虑固固相变、液液相变以及更为复杂的流体动力学现象，这样便于计算分析。计算中考虑了固液相变时的潜热，取为274 kJ/kg。热辐射的影响以相当的换热系数来表示，膜层的沉降温度为25℃(室温)，对流系数为33 W/(m2·℃)。

焊接瞬态热分析中，温度场是处于准稳态的，即随着热源的移动，垂直于焊缝截面处的温度分布是恒定的。

2.3 网格模型

ABAQUS中热分析采用DC3D8单元，该单元是八节点的体单元，具有温度自由度，表面和体内可传递热流。数值实验采用的数值模型参数为：腹板长250 mm，宽80 mm，厚6 mm，翼板长250 mm，宽250 mm，厚6 mm，网格划分后节点数为15 384，单元数为13 110。焊接条件如表1所示，选用的10CrNiCuP工程合金钢。模型网格划分时，应使焊缝区及其附近细化，从而可得到均匀分布的温度梯度，真实地模拟实际焊接过程中的温度场，远场区可使用较粗的网格，划分后的网格单元数、节点数可减少，减少了计算量但保证了计算精度。图1是研究中采用的一种网格，在近缝区网格尺寸在3～5 mm之间，在远处划分的单元比较粗大，中间使用了两级过渡网格，实现两类网格的衔接。

表1 焊接条件

图1 角接焊有限元网格模型

3 位移场计算结果与验证

进行热弹塑性分析后可以得出板材的应力场和位移场，包括纵向、横向和垂向的三向位移云图(图2～图4)。垂向的位移引起板材的角变形，角接焊焊后位移云图如图 5所示。从这些图中可以看出，板材焊接后发生了横向的收缩、纵向收缩和上翘的角变形。对于横向收缩和角变形，除了在焊缝的起始两端变化较大外，沿焊缝绝大部分区域都趋于稳定。

图2 纵向位移云图

图3 横向位移云图

图4 垂向位移云图

图5 角接焊焊后位移云图

图6为10CrNiCuP工程合金钢T型结构实物焊接图，图7为T型结构焊接变形测量示意图。

图6 T型结构实物焊接图

图7 T型结构焊接变形测量示意图

图8～图10将试验数据与计算数值进行对比分析，可以发现T型结构横向、纵向收缩量及角变形的试验测试计算值和试验值较好吻合。

图8 T型结构横向收缩量

图9 T型结构角变形量

图10 T型结构纵向收缩量

4 结论

(1) 通过对T型结构有限元计算与试验数据对比，可以发现计算数值与试验值吻合较好，验证了采用非线性有限元软件进行新型船用钢材数值模拟的可行性。

(2) 焊接热输入量的变化，使得T型结构发生横向、纵向收缩量的变化以及焊接角的变化。

(3) 将T型结构焊接仿真计算结果和试验测试值比较，可以有效地指导大型船体结构的焊接工艺数值模拟研究。

[1] Dragi Stamenkovi MSc,Ivana Vasovi BSc. Finite Element Analysis of Residual Stress in Butt Welding Two Similar Plates[R]. Scientific Technical Review. 2009.

[2] Guan Q A. Survey of development in welding stress and distortion controlling in aerospace manufacturing engineering in China[C]. Welding in the World， 1999:75-77.

[3] Lindgren L E. Finite element modeling and simulation of welding, Part2:improved material modeling[J]. Journal of Thermal Stresses， 2001，24(3):195-231.

[4] Bouarroud M,Katir Z. Temperature levels effects on the thermo-mechanical behdviour of solder attach during thermal cycling[J]. Industry applications(IEEE transaction on)， 2007,73(2):454-463.

[5] 陈章兰,熊云峰,蔡振熊.EH36船用钢焊接角变形有限元分析[J]. 船舶工程，2007，6:62-64.

[6] 谭险峰,张华.焊接温度场和应力场的热弹塑性有限元分析[J]. 塑性工程学报，2004，5: 71-74.

[7] 梁晓燕.中厚板多道焊焊接过程中温度场和应力场的三维数值模拟[D]. 武汉：华中科技大学， 2004.

[8] 姜锡瑞编著.船舶与海洋工程材料[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社, 2000.

Application Research on Welding Technology of T-type Structure Based on Finite Element Software

ZHANG Wei, REN Jin-yu

(Wuhan Technical College of Communication, Wuhan Hubei 430065, China)

This article makes a numerical simulation of welding technology for T-type structure based on nonlinear finite element software, and carries out a test with corresponding model. The test involves transverse shrinkage, longitudinal shrinkage and angular distortion. Then we compare the simulation data with test result. The result shows that the simulation data and the test result are in good agreement, validates the accuracy of simulation calculation in corresponding condition with finite element calculation software. The results can effectively guide the large component welding and improve the welding accuracy.

Finite element The T-type structure Welding simulation

张 伟(1982-)，男，工程师。

U671

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