ANSYS有限元熱耦合分析——以焊接過程為例

張 佩（中國人民解放軍后勤工程學院，重慶 401311）

ANSYS有限元熱耦合分析——以焊接過程為例

張 佩（中國人民解放軍后勤工程學院，重慶 401311）

利用有限元分析軟件 ANSYS，對焊縫的焊接過程進行數值模擬仿真，同時介紹了熱耦合分析計算的基本原理，并給出溫度場的分布情況。經試驗證明，此算法計算結果準確可信，對金屬加工具有重要的指導意義。

ANSYS；焊縫；數值模擬；熱耦合

0 前 言

焊接是目前鋼結構中最常用的連接方法，對接焊縫是受力和變形較為合理的接頭連接形式，它不削弱構件截面，剛性好，構造簡單，施工便捷，并可采用自動化操作，但焊接時會產生殘余應力和變形，連接處的韌性和塑性較差。金屬在加熱和冷卻過程中，會發生膨脹與收縮變形，會造成內力的再分布，引起次內力。如果結構各個部位之間的膨脹收縮程度不同，或者結構膨脹、收縮受到限制時，就會產生熱應力。基于上述原因，本文利用ANSYS分析軟件，對焊接過程進行了有限元分析，進而找到焊接過程中的薄弱環節，為金屬材料加工提供了參考意見和理論依據。

1 對焊接頭形式及有限元模型的建立

1.1 原始數據

如圖1所示為焊縫結構及有限元模型，用鋁焊將鋼板（左）和銅板（右）焊接在一起。假設沒有輻射和對流，結構左側為固定約束。環境初始溫度是20℃，鋁焊溫度是1500℃。

各種材料的屬性如表1所示。

各種材料的屬性表 表1

1.2 有限元模型建立

對焊接接頭進行有限元分析時，在對計算精度影響很小的前提下，為提高計算速度，可以對結構系統作適當的簡化。采用有限元方法計算結構的變形和應力、應變，考慮到對稱性，取半個結構進行建模，然后通過鏡像得到整個結構的結果。

1.2.1 有限元網格劃分

建模采用Vector Qaud 13單元，最后劃分得到的節點數為801個，單元數為750個，網格劃分如圖所示。

圖1 焊縫結構及有限元模型

1.2.2 邊界條件的建立

通過對焊接過程的分析，決定采用下述邊界條件：約束鋼板左端面上所有節點的X軸和Y軸上的軸向自由度，在鋼板左端面和銅板右端面的所有節點施加溫度約束，數值為 20℃，另外對所有節點施加初始溫度值20℃。在時間積分控制中，打開溫度選項。

2 分析過程

①首先進入前處理器/PREP7；

②設置材料屬性和單元類型；

③建立有限元模型并進行網格劃分；

④設置荷載步，加溫度荷載并求解；

設置時間步選項和載荷步。共設5個荷載步，并逐一設置時間步。

在第 1個荷載步，殺死焊縫外半部單元：Main Menu＞Solution＞Load Step Opts＞Other＞Birth&Death＞Kill Elements，如圖2所示。選擇焊縫周邊的所有節點施加溫度約束 1500℃，從力學角度嚴格地說這不是真實的約束，而是模擬焊接開始的外加溫度，當外加溫度滿足假設之后，就應該刪除這些溫度約束。

在第2個載荷步，刪除第一級焊縫處的溫度約束。

在第3個載荷步激活第二級焊縫的單元，在此上的所有節點施加溫度約束1500℃。

在第4個載荷步刪除第二級焊縫的溫度約束。

第 5個載荷步為冷卻過程，設置時間步長為50000，并分為40個子步，以便觀察。

⑤對此5個荷載步進行求解。

3 計算結果

圖2和圖3分別給出了第2個和第5個荷載步得到的溫度場、位移和應力云圖。

圖2 第2個荷載步的單元、溫度場、位移、應力云圖

圖3 第5個荷載步的單元、溫度場、位移、應力云圖

4 結果分析

通過對焊縫焊接過程的有限元分析可以明顯看到，在焊接的第2和第5個荷載步，溫度場、位移量及應力的變化，并可觀察到明顯的焊接變形。

①焊接時，焊區的金屬處于高溫熔融狀態，而離焊區較遠的鋼板溫度則較低。焊區內的金屬在高溫下膨脹很多，離焊縫越遠的部位膨脹越少。焊接完畢后，焊區開始冷卻而發生沿焊縫方向的收縮，但由于此時溫度不均勻分布，溫度較高的焊縫處依然有較大的膨脹變形，受到兩側低溫鋼材的阻礙，因而產生了縱向拉應力。焊接冷卻后，由于沿焊縫方向和垂直于焊縫方向的收縮受到已經硬結的焊層和焊件的約束，從而產生焊接變形，使焊件產生彎曲。

②對于 X型坡口的焊縫，材料的溫度、位移和應力云圖均沿縱向中軸呈基本對稱分布。由于銅板右端面是自由端，且銅板比鋼板傳熱系數大且比熱容小，故右端溫度略高。

③溫度較高的部位始終集中在焊縫處，并向兩側金屬板逐漸降低。對第2荷載步，由于時間步長較短，高溫區基本與焊縫形狀吻和，在冷卻過程中，熱量向中央部位傳播，形成一條貫通的高溫區。

［1］楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社，1998.

［2］美國ANSYS有限公司.ANSYS單元參考手冊［M］.2003.

［3］邵蘊秋.ANSYS8.0有限元分析實例導航［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［4］孫永賓，郝淑英.基于 MARC的多層多道焊數值仿真研究［J］.天津理工大學學報，2014（3）.

TU17

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1007-7359（2016）02-0241-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.02.085

張佩（1983-），女，山東菏澤人，畢業于長安大學，碩士；講師，研究方向：橋梁與隧道工程。