張海錠，姚小兵，桂 桂（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院聲學(xué)研究所，成都 610051）

多參數(shù)環(huán)境試驗(yàn)艙焊接殘余應(yīng)力的有限元計(jì)算及分析

張海錠，姚小兵，桂 桂
（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院聲學(xué)研究所，成都 610051）

在鋼結(jié)構(gòu)艙體制造中，焊接是最主要的加工手段。焊接變形一方面導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變異，尺寸精度和承載能力下降，另一方面，在溫度大幅度周期性變化過程中，應(yīng)力集中等因素引起的早期結(jié)構(gòu)失效是工程實(shí)踐中的重大隱患。采用有限元方法，分析了一種步入式多參數(shù)環(huán)境試驗(yàn)艙焊接結(jié)構(gòu)在焊接過程中的瞬態(tài)三維應(yīng)力和形變，同時(shí)給出了在-70 ℃工況下的三維應(yīng)力與變形分布，具有一定的參考意義。

鋼結(jié)構(gòu)；有限元；焊接殘余應(yīng)力；應(yīng)變

引言

本文所述環(huán)境試驗(yàn)艙，以仿真我國(guó)國(guó)土表面氣候要素為目的，是一種能夠綜合模擬海拔10 000 m內(nèi)的溫度、濕度、氣壓、太陽輻射、淋雨、霧等氣候要素，仿真典型自然環(huán)境條件、極端環(huán)境條件及誘發(fā)環(huán)境條件的多參數(shù)仿真環(huán)境試驗(yàn)艙，其設(shè)計(jì)溫度范圍為-70～150 ℃、壓力范圍為26 kPa～大氣壓。在此技術(shù)參數(shù)要求下，艙體需有能力在非常溫條件下承載交變應(yīng)力，即要求鋼結(jié)構(gòu)既達(dá)到強(qiáng)度要求，又能在工作狀態(tài)下保持穩(wěn)定不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用立方體復(fù)合鋼結(jié)構(gòu)，分為兩層，分別使用8號(hào)槽鋼和16號(hào)槽鋼焊接成網(wǎng)狀支撐，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多參數(shù)環(huán)境試驗(yàn)艙模型

艙體鋼結(jié)構(gòu)大規(guī)模使用焊接連接，為保證其安全性，需對(duì)焊接質(zhì)量加以研究。眾多試驗(yàn)表明，焊接殘余應(yīng)力會(huì)加速焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞，最終引起脆性斷裂，最嚴(yán)重的后果是造成結(jié)構(gòu)倒塌。因此，即使外部壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到材料許用應(yīng)力，若焊接殘余應(yīng)力過大結(jié)構(gòu)仍然存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于低溫工況下三向殘余應(yīng)力的影響會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)塑性進(jìn)一步降低，加劇焊接結(jié)構(gòu)脆斷的可能。

焊縫形成過程復(fù)雜多樣，其內(nèi)部應(yīng)力分布狀況難以獲得。以往對(duì)焊縫性能的試驗(yàn)研究，通常采用破壞性的手段進(jìn)行，耗時(shí)較長(zhǎng)也無法得到詳細(xì)的三維殘余應(yīng)力分布，且對(duì)結(jié)構(gòu)有無法挽回的影響。因此，本文引入子結(jié)構(gòu)有限元方法，對(duì)焊接過程中及工況下焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)證極端工況下焊接結(jié)構(gòu)仍然可靠。

1 子結(jié)構(gòu)有限元方法

焊接過程可以看成局部非線性小區(qū)域在大部分線性區(qū)域內(nèi)隨熱源移動(dòng)而移動(dòng)的問題，以往均將其作為彈塑性非線性處理，而非線性結(jié)算非常耗時(shí)。針對(duì)此種情況，本文引入子結(jié)構(gòu)分析方法，論述了基于該方法的數(shù)值分析及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

焊接有限元數(shù)值計(jì)算中的子結(jié)構(gòu)方法由劉川等提出，其基本思想是：將窄小焊縫和熱影響區(qū)與非焊接區(qū)分開處理，計(jì)算時(shí)將非焊接區(qū)作為線性子結(jié)構(gòu)隨熱源移動(dòng)，成功實(shí)現(xiàn)了焊接應(yīng)力變形的高效率有限元計(jì)算[1]。子結(jié)構(gòu)方法常被用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的數(shù)值計(jì)算中，其主要思路是將多個(gè)關(guān)系復(fù)雜的基本單元組合成為新的結(jié)構(gòu)單元。實(shí)際應(yīng)用中，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)劃分為若干個(gè)子結(jié)構(gòu)，確定子結(jié)構(gòu)的剛度特性后裝配成整體結(jié)構(gòu)，從而獲得整體結(jié)構(gòu)的剛度特性。其主要步驟如圖2。

子結(jié)構(gòu)將問題分塊進(jìn)行分析，節(jié)約存儲(chǔ)空間和計(jì)算時(shí)間，大大提高了計(jì)算效率。通過子結(jié)構(gòu)方法將焊接大部分的線性區(qū)域分解出來作為子結(jié)構(gòu)處理，并且隨熱源的移動(dòng)，線性子結(jié)構(gòu)也不斷變化，這種不斷變化的子結(jié)構(gòu)稱為動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)。本文將動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)技術(shù)應(yīng)用在焊接結(jié)構(gòu)的三維建模中，進(jìn)行焊接應(yīng)力變形的高效有限元計(jì)算。

2 焊接過程分析

多參數(shù)試驗(yàn)艙的外結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀焊接結(jié)構(gòu)，槽鋼連接方式如圖1所示，材料為Q345鋼，材料密度為7 874 kg/ m3，傳熱系數(shù)、比熱容等隨溫度變化見表1[2]。

圖2 子結(jié)構(gòu)運(yùn)算步驟

表1 材料不同溫度時(shí)性能變化

有限元模型采用四面體網(wǎng)格自由劃分的方式如圖3所示。其中，焊縫處做了網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格剖分細(xì)度均勻，有利于控制焊縫單元相關(guān)節(jié)點(diǎn)的選取和熱源加載操作；母材全部采用四面體劃分方式，距離焊縫較近區(qū)域網(wǎng)格較密，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域逐步變疏。整個(gè)模型網(wǎng)格劃分合理，滿足計(jì)算要求。計(jì)算基于以下假設(shè)[3]：

1）假設(shè)工件平整光順，符合尺寸要求

2）假設(shè)環(huán)境溫度恒定

3）假設(shè)焊接設(shè)備輸出功率恒定

4）假設(shè)焊接過程穩(wěn)定，不存在斷續(xù)操作

5）不計(jì)算焊接熔池流場(chǎng)及電磁攪拌作用

6）焊接前不進(jìn)行預(yù)熱

溫度場(chǎng)模擬是焊接過程有限元計(jì)算的主要條件，對(duì)焊接而言，進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬首先要選擇合適的熱源模型[4]。焊接的過程是動(dòng)態(tài)的，因此需通過循環(huán)載荷不斷移動(dòng)來加載溫度載荷，此過程通過以下步驟來實(shí)現(xiàn)：將焊縫分為N段，逐段進(jìn)行計(jì)算，每一段的運(yùn)算結(jié)果作為下一段的初始條件（運(yùn)算時(shí)需消除上段生熱率）。重復(fù)該步驟，即可得到焊接的瞬間溫度場(chǎng)。

為了更好反映平面受移動(dòng)熱源作用的幾個(gè)變化階段，選擇使用考慮熱源移動(dòng)效應(yīng)的改進(jìn)均勻體熱源模型，其二維表達(dá)式[5]為：

式中，q為熱生成率；U為電壓；I為電流；η為熱源效率；d為高斯參數(shù)；t為熱源加熱時(shí)間；tc為熱源中心移至研究面的時(shí)間，s為延遲因子。

熱源建立在ANSYS經(jīng)典環(huán)境中，通過參數(shù)化語言實(shí)現(xiàn)。其主要參數(shù)為電弧作用半徑r=3.25 mm，電弧效率為0.7，熱源移動(dòng)距離為3 mm，熱源作用停留時(shí)間為0.25 s，使用反復(fù)加載對(duì)流的方式實(shí)現(xiàn)熱流密度和對(duì)流的同時(shí)加載。

非線性求解的部分代碼如下：

trnopt,full !完全瞬態(tài)積分法

pred,on !打開預(yù)測(cè)校正

solcontrol,on !自動(dòng)控制

nropt,full,,on !完全牛頓-拉普森方法

cutcontrol,plslimit,10,!設(shè)置在一個(gè)非線性求解中時(shí)間步的減少

lnsrch,on !線性搜索

autots,on !自動(dòng)步長(zhǎng)

tintp,,,,1,, !向后積分

timint,on !瞬態(tài)效果

tref,20 !參考溫度

kbc,0 !連續(xù)性載荷

neqit,50 !規(guī)定每個(gè)子步中最大迭代次數(shù),默認(rèn)為25

求解后，可以得到焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布如圖4。

圖3 建模及單元格劃分

圖4 不同時(shí)刻瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布

結(jié)果可見：①當(dāng)焊縫冷卻10 min時(shí)，焊縫影響區(qū)最高溫度141.2 ℃，尚未接近常溫，需要繼續(xù)進(jìn)行冷卻計(jì)算。②焊縫冷卻20 min后，最高溫度已經(jīng)降低到58.0℃，該溫度下材料固態(tài)相變已經(jīng)結(jié)束，該狀態(tài)下可以進(jìn)行殘余應(yīng)力計(jì)算。

本文采用熱結(jié)構(gòu)間接耦合計(jì)算方法，利用ANSYS間接耦合單元類型自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)由熱分析向結(jié)構(gòu)分析的轉(zhuǎn)換[6]。通過讀取每一個(gè)載荷步的溫度場(chǎng)結(jié)果，結(jié)合力學(xué)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行焊接過程動(dòng)態(tài)應(yīng)力及殘余應(yīng)力的計(jì)算。求解時(shí)間為18 s，1 258 s時(shí)，對(duì)應(yīng)的工件von-miss等效應(yīng)力場(chǎng)分布見圖5。

結(jié)果可見：①焊接過程中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力最大值均不超過材料的屈服強(qiáng)度，這與相關(guān)金屬材料學(xué)機(jī)理一致，既材料內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)力釋放，材料發(fā)生變形。②焊后冷卻20 min后的殘余應(yīng)力最大值332 MPa，產(chǎn)生在焊縫及焊縫熱影響區(qū)。

為便于對(duì)焊接動(dòng)態(tài)應(yīng)力過程的復(fù)雜性進(jìn)行分析，繪制5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處焊接動(dòng)態(tài)應(yīng)力變化曲線，見圖6（右）。

結(jié)果可見：整個(gè)焊接修復(fù)過程中von-miss等效應(yīng)力的變化分布規(guī)律復(fù)雜，時(shí)刻都在變化。2，3，5點(diǎn)變化最大，分別在20 s，40 s，50 s處達(dá)到波動(dòng)峰值。60 s時(shí)各位置von-miss等效應(yīng)力趨于穩(wěn)定，隨后冷卻過程中略有上升但最大應(yīng)力不超過材料屈服強(qiáng)度。

3 工況下熱應(yīng)力分析

在工況下，箱體最低溫度為-70 ℃，在此條件下進(jìn)行熱-力耦合運(yùn)算，對(duì)應(yīng)的工件von-miss等效應(yīng)力場(chǎng)分布（左）和應(yīng)變（右）如圖7所示。

由圖可見，深冷環(huán)境下，焊縫殘余應(yīng)力并沒有顯著變化，最大值344 MPa，最大值的區(qū)域及位置發(fā)生了變化，但仍不超過材料屈服極限。

圖5 不同時(shí)刻殘余應(yīng)力場(chǎng)分布

圖6 不同點(diǎn)位應(yīng)力曲線變化

圖7-70 ℃下的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布

4 結(jié)語

為探討環(huán)境試驗(yàn)艙焊接殘余應(yīng)力對(duì)整體結(jié)構(gòu)安全性的影響，本文在子結(jié)構(gòu)有限元運(yùn)算方法的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多參數(shù)試驗(yàn)艙T形槽鋼焊接結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬計(jì)算。給出了焊接中的溫度場(chǎng)及范式應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步探討了-70 ℃工況下殘余應(yīng)力的性能變化。結(jié)果表明，利用改進(jìn)均勻體熱源結(jié)合子結(jié)構(gòu)有限元方法進(jìn)行焊接模擬計(jì)算實(shí)際可行；在本文所述結(jié)構(gòu)的計(jì)算中，該方法得出的焊接殘余應(yīng)力在低溫環(huán)境下變化不大；為環(huán)境試驗(yàn)艙的焊接殘余應(yīng)力試驗(yàn)研究提供了理論依據(jù)，具有一定的參考意義。

［1］ 劉川.基于動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)的三維焊接殘余應(yīng)力變形數(shù)值模擬［J］.焊接學(xué)報(bào)，2008，29（4）：22-24.

［2］ Brown S B，Song H.Rezoning and dynamic substructuring techniques in FEM simulations of welding processes［J］.Journal of Engineering for Industry， 1993， 115（4）： 415-423.

［3］ 張建勛，劉川.焊接應(yīng)力變形有限元計(jì)算及其工程應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社， 2015.

［4］ 張可榮，張建勛，黃嗣羅，等.大型厚壁簡(jiǎn)體斜插彎管結(jié)構(gòu)焊接變形及其演變數(shù)值模擬［J］.材料工程， 2011，（1）：64-67，71.

［5］ 莊棟.核電汽機(jī)輪低壓焊接轉(zhuǎn)子殘余應(yīng)力測(cè)量與有限元模擬［D］.西安：西安交通大學(xué)， 2012.

［6］ 馮艷輝.基于ANSYS的焊接梁殘余應(yīng)力分析［D］：［碩士論文］.西安：西安建筑科技大學(xué)， 2008.

張海錠，男，福建泉州人，助理工程師，碩士研究生，環(huán)境技術(shù)/真空技術(shù)。

The Finite Element Calculation and Analysis on Welding Residual Stress of Multi-parameter Environmental Simulating Test Chamber

ZHANG Hai-ding， YAO Xiao-bing， GUI Gui
（National Institute of Measurement and Testing Technology， Institute of Acoustics， Chengdu 610051）

Welding is the main means in the manufacturing of steel structure module.Caused by welding deformation， the dimensional accuracy and carrying capacity of structure would be weakened.In the process of temperature periodic changes significantly， welding deformation would also resulted stress concentration， consequently， initial failures would be the major unsafe factor.This paper uses the finite element method， and analyzes transient three-dimensional stress and deformation of a new steel structure of multi-parameter environmental simulating test chamber in its welding process， and then figures out analysis results in-70 ℃.It provides a certain reference for the research and experiments on welding procedure analysis.

steel structure； FEM； welding residual stress； deformation

TH7

A

1004-7204（2016）03-0024-05

四川省科技支撐計(jì)劃 （2011GZ0067）