铝合金焊接件的结构应力与变形有限元分析

王 亮

（甘肃能源化工职业学院，甘肃 兰州 730207）

铝及铝合金材料在工业生产中具有优良的导电导热性能和较强的耐腐蚀性等优势，在我国工业市场内铝合金制品已实现了广泛应用。考虑到铝合金制品的硬度相对低，因此在使用此种材料进行工业生产过程中，可采用对铝合金制品进行焊接的方式制作[1]。但铝合金焊接件在投入市场应用的过程中受到应力结构及其变形的影响，为此需要更好地掌握铝合金焊接件变形与结构应力之间的关系。总之，截至目前铝合金焊接件已被我国广泛应用到电子产业、航空航天生产制造产业等领域，一些常规的发电机也均在某种程度上做到了使用铝制品代替铜制品，因此铝合金焊接件在当下市场的应用前景是较为广阔的。

1 铝合金焊接件的结构应力与变形有限元分析方法

1.1 基于过渡法构建有限元分析模型

为了实现对合金焊接件结构应力与变形的有效分析，本章采用划分有限元网格的方式，构建有限元分析模型。在此过程中，网格规划的合理性与有限元计算机结果的准确率具有较为直接的联系[2]。综合上述分析，在构建模型网格过程中，可引进网格过渡法进行设计。过渡法结构可参照如下图1。

图1 网格过渡法

按照上述图1中内容构建模型有限元网格结构，在此过程中，考虑到铝合金焊接件的焊接过程属于一种受热不均匀过程，因此在划分网格时，通常会选择非均匀网格进行划分。在焊接或其附近区域，可利用加密网格结构，反之，在铝合金焊接件平滑区域，可选择稀疏网格结构[3]。同时，应注意网格的设计应确保每个单元尺寸具备一定协调性。因此，在完成对网格的设计后，需要同步采用差值计算的方式，选择集成的六面体单元作为有限元分析模型的边界结构。

1.2 模拟铝合金焊接件的结构应力

在完成对有限元分析模型的构建后，可采用将铝合金焊接件与混凝土节点耦合的方式，对铝合金焊接件的结构应力进行模拟。在此过程中，考虑到采用个体切割法难度较高，因此本文选择直接耦合法进行结构应力的分析。基本步骤如下。

根据铝合金焊接件结构对其进行实体模型的构建（无须考虑焊接点力筋）→根据焊接点位置处力筋的分布构建分析模型（不考虑焊接件实体结构）→将焊接件的实体结构与力筋进行独立处理→选择与力筋相关的结构节点（在有限元模型中执行nsll命令）→按照焊接点顺序对模型与实体进行对应耦合（建议使用cp指令，否则在cpintf指令下节点可能发生其他耦合现象）→对耦合的模型进行边界条件规划（施加负荷求解）。

综合对有限元模型的分析可知，铝合金焊接件的结构应力在耦合预紧状态下，其等效应力与结构应力是呈现一种非线性关系的。对此，绘制铝合金焊接件最大等效力与结构应力关系图，如下图2所示。

图2 铝合金焊接件最大等效力与结构应力的关系

根据上述图2，可以显著地看出，铝合金焊接件最大等效力与结构应力的关系可分别划分为三个阶段。其中第一个阶段为外界作用力较小的阶段（结构应力在0kN～5.0kN范围内），此时焊接件的等效应力随着外界作用力的增加先略有减低再增加。第二个阶段为外界作用力持续加大的阶段（结构应力在5.0kN～10.0kN范围内），此时焊接件的等效应力随着外界作用力的增加变化相对平缓（缓慢增加趋势）。第三个阶段为外界作用力进一步增加阶段（结构应力在10.0kN～15.0kN范围内），此时焊接件的等效应力随着外界作用力的增加快速增加。

1.3 计算不同结构应力下的变形位移结果

在完成对铝合金焊接件的结构应力的模拟与分析后，考虑到金属构件应用对于铝合金焊接件的挠度（L）要求相对较高。因此，选择L=600.0作为挠度标准值，对不同结构应力下的变形位移结果进行计算。计算过程中，需要按照传统的计算方法，给定结构等效应力的明确值，以此种方式解析铝合金焊接件变形位移。计算公式如下。

公式（1）中：σe表示为在指定结构应力下铝合金焊接件的变形位移量；Mk表示为铝合金焊接件的预紧作用力（计算单位表示为MPa）；α表示为预紧系数，通常情况下表示为常数；d表示为铝合金焊接件的公称直径（计算单位为mm）；Kc表示为铝合金焊接件的荷载因子；F表示为铝合金焊接件的横向载荷；β表示为定义唯一计算结果属于无钢量载荷情况。简化处理上述计算公式。如下公式（2）所示。

2 实验论证

为了证明上述设计的有限元分析方法在铝合金焊接件结构应力与变形分析中的有效性，本章选择某金属生产制造公司中，正处于生产线内的铝合金焊接件作为此次论证的对象。应用本文提出的有限元分析方法，对铝合金焊接件的结构应力与变形进行分析。统计在不同结构应力下，铝合金焊接件的变形结果。变形结果如下表1所示。

表1 铝合金焊接件在不同结构应力条件下的变形结果

如上述表1所示内容，在不同结构应力条件下，铝合金焊接件的变形结果是呈现不同位移结果的，因此证明本文提出的有限元分析方法在实际应用中，具备一定有效性。

3 结束语

为了进一步满足市场的需求，提升铝合金焊接件制品在市场内的竞争能力，本文将以铝合金焊接件为例，对其结构应力与变形进行有限元分析，以此种方式实现对铝合金焊接件生产过程与焊接流程的优化。并在完成对其的分析后，选择某金属生产制造公司中，正处于生产线内的铝合金焊接件作为实验论证的对象，证明本文提出的有限元分析方法，在不同结构应力下，得出的变形位移结果是不同的，因此说明了本文提出的有限元分析方法更为有效。