平面應變模型試驗臺焊接變形分析及控制研究

蘇薇國, 王培俊, 周冰峰, 吳淑定

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

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平面應變模型試驗臺焊接變形分析及控制研究

蘇薇國, 王培俊, 周冰峰, 吳淑定

(西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031)

摘要：針對傳統平面應變模型試驗臺下臺面因焊接變形而導致平面度難以保證的問題，提出一種新的解決思路及利用變形補償的新方法。利用SYSWELD焊接分析軟件和ANSYS有限元軟件分別計算模型焊接變形量和靜載變形量，修正焊接工藝和靜載加載位置，使焊接熱變形和靜載變形得到相互補償，從而保證了下臺面的平面度。實踐證明反變形補償方法相對于傳統的焊后機加工或者焊后矯正變形的方法具有更高的平面度和更好的經濟性。

關鍵詞：焊接變形；變形補償；角變形；試驗臺

0前言

焊接是現代制造業中最為重要的材料成形和加工技術之一，焊接制造技術的發展對我國成為制造強國有著極為重要的意義[1]。但焊接過程中容易產生各種焊接變形，不僅影響結構的裝配，更重要的是影響結構的可靠性，因此必須采取措施加以控制[2]。

文中研究的平面應變模型試驗臺主要是根據物理相似模擬理論模擬地下隧道襯砌的結構受力，也可按照相似比模擬隧道開挖[3]。試驗臺可用于地下工程方面的試驗，以便對隧道襯砌結構受力及破壞形式有更加清晰的認識。大多數科研單位利用試驗臺分析地下洞室變形及巖爆，進行模擬列車隧道開挖方面的科學研究[4]。試驗過程中，為使相似材料和襯砌模型放在一個準平面上，必須嚴格控制焊接變形保證下臺面的平面度，從而盡量減少因試驗臺自身結構所產生的試驗誤差。

國內外廣泛使用的地質模型實驗臺主要存在問題如下：

1) 由于焊接工藝及加工技術問題使試驗臺產生較大的焊接變形，因而難保證相似材料及襯砌模型是在一個平面上。試驗時大多是在一個準平面或者曲面上進行，影響試驗結果的科學性和準確性。

2) 模型試驗臺的裝置尺寸太小，做實驗時需要很大的相似比，實驗后的得出的數據與實際情況偏差比較大[4,5]。

通過建立下臺面的三維有限元模型，借助ANSYS有限元軟件和大型虛擬焊接軟件SYSWELD，參考計算出的熱變形和靜載變形結果，修正焊接工藝和靜載加載位置，控制下臺面的變形，最終達到熱變形和靜力變形相互補償，保證下臺面上表面的平面度效果。

1有限元模型的計算

1.1　試驗臺總體結構與單元網格的劃分

圖1為研制的平面應變試驗臺主體框架結構，下臺面主要用于存放相似材料和襯砌模型，結構比較復雜。

圖1　平面應變試驗臺三維模型

SYSWELD是焊接專業類CAE軟件，其向導技術可以根據不同工藝參數及模擬要求，智能化地選擇所需的求解器進行相應的計算分析[6]。用SYSWELD進行焊接過程數值計算前，網格劃分是十分關鍵的步驟。首先對有限元模型進行簡化，由于試驗臺的下臺面是關于xoz和yoz平面對稱結構，所以導入Visual mesh之前截取下臺面的1/4模型，模型的三維尺寸為1.5m×0.75m×0.45m。劃分網格時，考慮到項目周期及計算結果精度，在焊縫區及近焊縫區網格劃分較密，其他區域網格劃分較疏，這樣既可以保證工件關鍵部位的計算精度，又可以減少整體的節點個數，縮短計算時間。本文采用三維8節點六面體單元劃分網格[7]，節點總數為164686個，共129594萬個單元。

1.2　材料性能參數

試驗臺由厚度為16mm的Q345-B鋼板焊接而成，計算過程中考慮材料物理性能參數隨溫度變化，所選材料的各種熱物理性能參數及力學性能參數隨溫度變化曲線由SYSWELD自帶數據庫給出。Q345-B的導熱系數、密度、比熱、彈性模量、線膨脹系數、屈服強度隨溫度的變化數據取自SYSWELD材料數據庫。

1.3　焊接方案

設定焊接方案：焊接方法為手工電弧焊I=160A，U=20V，焊接速度V=2mm/s，焊接線能量為1280J/mm，焊接熱效率η=0.75，模型的三塊肋板開雙面單邊50°V型坡與底板焊接，焊腳高度為8mm，鈍邊2mm，間隙2mm的焊縫形式，外部采用連續角焊縫[8]結構一共有48條焊縫，焊接時間為2.38h，冷卻時間為4h，所有的焊縫均采用對稱焊的方式焊接計算。

1.4　模擬結果及分析

經計算，1/4下臺面的焊接變形結果如圖2所示。

圖2　焊接總變形云圖

對圖2進行分析，可以得出以下結論：

1) 焊接產生橫向收縮，使結構尺寸受到影響并造成側板內凹。

2) 三塊組成反力梁的肋板變形趨勢相同，邊上側板(x=0)變形最大，底面向上鼓起變形，從底部到頂部向上鼓起變形逐漸減小。

3) 底板上焊縫分布較多且密集，焊接斷面大，輸入熱量多，引起結構縱向縮短而使結構在長度方向(y方向)上出現彎曲。

4) 底板變形使得結構平面度不符合技術要求，模型最大焊接熱變形為5.7mm，且焊接變形形狀近似一個從中間向上凸起的上橢球面。

2試驗臺焊接變形控制與形狀補償

2.1　靜力分析計算

將試驗臺的三維模型導入ANSYS中，劃分網格后加載，其中單根反力梁受兩個60T液壓缸的反作用力，受力點的間距為1.3m，如圖3所示。計算出試驗臺結構z方向的變形，如圖4所示。從圖中可以看出結構的下臺面整體向下塌陷，向下最大變形為2.0mm。

圖3　加載結構圖

圖4　靜力加載變形云圖

2.2　平面度的控制

根據計算結果，在zoy平面沿y方向取點，繪制出下臺面最上表面的變形圖，如圖5所示。

圖5　下臺面中間變形平面變形曲線圖

綜合焊接變形與靜力加載變形，試驗臺要達到的目的是利用形狀補償保證下臺面的平面度，而根據理論計算結果，平面處在x=0焊接最大變形比靜載最大變形的絕對值要大2.0mm左右，因此必須通過合理的焊接工藝或受力矯正等方法，對結構進行一定的焊接變形矯正，使焊接變形縮小。本焊接結構在實際焊接工藝中，焊接近似是三體的箱型結構，肋板和筋板主要是T形焊接，肋板相當于翼板，而筋板相當于腹板，T形焊縫不可避免地引起底板的角變形[9]。根據其變形機理，中間加強筋板的角變形可以采用平衡原理進行控制。

用試驗臺試驗時，試驗臺臺面靜載變形得到了有效的補償，最終試驗臺平面度在1mm左右，較好地滿足了試驗臺下臺面平面度要求。

4結論

利用變形補償的方法，較好地解決了平面應變模型試驗臺下臺面因焊接變形而導致平面度難以保證的問題。通過建立試驗臺三維模型并導入SYSWELD焊接分析軟件，計算結構的焊接變形量，利用ANSYS軟件計算試驗臺下臺面在實際加載情況下的靜力變形，比較分析變形結果。根據理論計算結果，利用焊接角變形平衡原理控制變形，優化實際焊接工藝與設計方案，控制下臺面的實際焊接變形量及變形形狀，使其大小近似于靜力加載后變形量。由于靜力加載變形方向與焊接變形方向相反，二者的變形量得到相互補償，從而保證了下臺面的平面度。實踐證明通過反變形補償的方法，下臺面的平面度控制在1.0mm之內，較好地滿足了試驗臺平面度的要求。

參考文獻:

[1] 李曉延，武傳松，李午申.中國焊接制造領域學科發展研究[J]．機械工程學報，2012,48(6):19-20.

[2] 謝秉順，王興元. 鐵路客車底架牽引梁改進及加工工藝[J]．機械制造與自動化,2013,42(4):76.

[3] 張雨強．一種新型物理相似模擬實驗架結構設計[D]．西安: 2008:1-6.

[4] 張強勇，李術才，李勇，等．地下工程模型試驗新方法、新技術及工程應用[M]．北京：科學出版社，2012(6):43-44.

[5] 超大型巖土工程三維模型試驗系統[P]. 山東大學，2011.

[6] SYSWELD Engineering Simulation Solution for Heat Treatment and Welding Assembly http://www.convia.fi/files/ESIGroup_brochure.pdf.

[7] 田昕，黎向鋒，左敦穩，等. 基于有限元帶隔板雙槽鋼焊接梁焊接仿真優化[J]．機械制造與自動化,2013,38(1):54-57.

[8] 費新華, 高國兵. 大型鋼結構件制作中焊接變形控制技術[J]．2006鋼結構焊接國際論壇文集，2006:144-145.

[9] 中國機械工程學會焊接學會．焊接手冊[M]：第3卷．北京：機械工業出版社.1992．

Welding Deformation Analysis and Control of Plane Strain Model Test Rig

SU Wei-guo, WANG Pei-jun, ZHOU Bing-feng, WU Shu-ding

(Southwest jiaotong University, School of Mechanical Engineering, Chengdu 610031, China)

Abstract:Because of welding deformation, it is difficult to guarantee the flatness of the existing rock plane strain model test rig’s supporting table. Therefore, a new solving idea, deformation compensation is proposed. The amount of welding deformation and static load deformation are calculated by utilizing welding simulation software SYSWELD and finite element software ANSYS. In order to make the welding thermal deformation and static load deformation be compensated with eath other the welding process and static loading position are optimized to ensure the flatness of the supporting table. it is proved in practice that compared with conventional machining after welding or after welding distortion correction method, anti-deformation compensation method is better in the flatness and economic value.

Keywords:welding deformation; deformation compensation; angular deformation; test rig

中圖分類號：TG404

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0123-02

作者簡介：蘇薇國(1987-)，男，湖南汨羅人，碩士研究生，研究方向：機械設計及理論。

收稿日期：2014-08-05 2014-10-24