箱型梁焊接變形和應力三維數值模擬

房元斌，李 穩，張立平，陸永能

（1.徐工集團 江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004；2.徐工集團工程機械有限公司 高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004）

箱型梁焊接變形和應力三維數值模擬

房元斌1，2，李 穩1，2，張立平1，2，陸永能1，2

（1.徐工集團 江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州 221004；2.徐工集團工程機械有限公司 高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇 徐州 221004）

利用有限元分析手段模擬箱型梁結構吊臂的焊接過程，得到吊臂的焊后變形和殘余應力分布，采用Metra SCAN激光掃描和盲孔法進行試驗驗證。結果表明：整體變形趨勢為向內收縮，焊縫位置附近上翹變形，峰值位置位于起收弧位置，最大變形量1.66 mm；焊縫位置附近殘余應力大，應力峰值為459.9MPa。模擬結果與試驗結果誤差控制在0.5mm以內，仿真結果與盲孔法測量結果吻合較好，誤差為26.1%，滿足工程應用要求，證明了模擬結果的準確性。

箱型梁；焊接變形；應力；激光掃描

0 前言

箱型梁結構的設計與優化已進行了大量的研究工作[1-2]。為滿足產品升級換代的要求，箱型梁結構件吊臂工藝研發工作隨著質量要求的不斷提升而持續改進，但是在新工藝的開發中，試樣樣件焊后變形大、應力釋放導致變形大等問題，導致耗損大，需要數值模擬技術進行有效預測[3-5]。因此，建立正確的有限元模型至關重要。

吊臂箱型梁結構件尺寸大、壁厚較薄、工藝控制難度大，在不考慮折彎工藝的前提下，建立正確的有限元模型需建立等效熱源模型和邊界條件，同時有效測量吊臂焊后變形和應力。本研究利用有限元分析手段模擬箱型梁結構吊臂焊接過程，計算得到焊接變形和應力，并進行了試驗驗證。

1 有限元模型建立

1.1 試樣制備

吊臂材料Q460D鋼板，長2980mm，寬180mm，沿軸對稱平面高度約450mm，板厚5 mm。折彎角設計為90°和135°。在距離吊臂一端150 mm處，依次距離670 mm選擇5個點進行盲孔法應力測量，測試位置和吊臂幾何模型如圖1所示。采用福尼斯500型焊機焊接，選用ER50-6焊絲，以CO2氣體作為保護氣，鋼板坡口角度67°，坡口間隙0 mm。焊接工藝參數如表1所示。

圖1 幾何模型及殘余應力測試點位置Fig.1 Geometry model and locations of measurements for residual stress

表1 焊接工藝參數Table 1 Process parameters welding

1.2 材料參數的建立

模擬用材料Q460D的部分物性參數和力學參數隨溫度變化曲線[6]，如圖2所示。

圖2 Q460D鋼的相關熱力學參數與溫度的關系Fig.2 Relationship between thermo-mechanical parameters and temperature of Q460D

1.3 網格模型的建立

考慮到焊縫和熱影響區溫度梯度較大，兼顧折彎位置的應力分布，對焊縫、熱影響區和折彎位置進行網格加密處理。

網格總數直接影響計算效率。為平衡計算效率和計算精度，吊臂自由端和遠離焊縫位置采用稀疏網格；為保證應力在厚度方向計算精度，兼顧有效控制整體網格數，厚度方向網格層數定義為3層有限元模型如圖3所示，加密網格尺寸1～2 mm，最大網格尺寸約50 mm，獲得網格總數132 871個。

總量控制階段主要指人類設定經濟社會開發利用水資源的上限，并以此為依據進行水資源管理的人水關系發展階段。需求管理是長久實施總量控制的必要手段，主要指通過法律、行政、經濟、科技、教育等手段，控制用水總量，提高用水效率，培育節水文化，激發節水主動性，改變社會用水方式，抑制水需求的過度膨脹。

圖3 吊臂的有限元模型Fig.3 FE model of boom

1.4 熱源模型和邊界條件的定義

熱源模型采用能有效表征CO2氣保焊的雙橢球熱源模型[7]，該模型充分考慮了熱源前端溫度陡變、后端溫度變化慢的特點。

有限元模型假設條件如下：材料各向同性，環境溫度定義恒定值，焊接過程中熔池不流動，不考慮固態相變和加工硬化的影響。

為防止發生剛體位移，需定義等效邊界條件焊接靠近90°折彎角附近的對接焊縫時，在另一條焊縫斜面位置設置兩組接觸對，用于模擬吊臂與工裝平面之間的接觸；同理在焊接靠近135°折彎角附近的對接焊縫時，在另一條焊縫平面位置設置一組接觸對。沿y軸長度方向在中截面表面限制y向的位移，目的是不影響箱型梁吊臂的縱向收縮變形沿x軸吊臂端面自由邊限制x向的位移，自由截面在焊縫收縮作用下向吊臂中心收縮變形，不影響自由截面的橫向收縮。

2 仿真結果分析和驗證

2.1 焊接變形結果分析

模擬吊臂的焊接過程，獲得焊后變形云圖如圖4所示。由圖4可知，吊臂整體變形趨勢為向內收縮峰值位置位于自由端面焊縫位置處，峰值1.66 mm吊臂沿縱向收縮；兩焊縫位置附近上翹變形，折彎角135°起收弧位置上翹明顯；在折彎角處均有不同程度向角度變大的趨勢，這是因為兩條焊縫的拘束力作用和折彎回彈作用。

2.2 焊后變形試驗驗證

圖4 變形云圖Fig.4 Contour of welding deformation

采用Metra SCAN激光掃描儀對吊臂焊后結構件外形進行掃描，如圖5a所示。采用最小二乘法、自動擬合的方式分析試驗和模擬數據，黑色表示掃描結果，灰色表示模擬結果，獲得分析結果并標注誤差較大的位置，如圖5b所示。

圖5 試驗測量與驗證Fig.5 Experiment measurement and verification

由圖5b可知，在吊臂一側面出現較大偏差0.485 mm，但從兩者整體變形差值看，誤差在0.5 mm以內，變形趨勢保持一致。偏差較大的位置位于90°折彎中部位置、135°折彎起收弧位置附近。主要原因是整個模型匹配采用最小二乘法處理數據，導致偏差相對均勻分布，出現在吊臂前后端和中下部位置。如果更換坐標基準，將出現一端偏差較大的情況，也就是累積誤差效應。實際生產中，最小二乘法更適合用來處理大型結構件。

2.3 焊接應力結果分析

應力云圖如圖6所示，應力峰值的位置位于焊縫位置，峰值為459.9 MPa。

圖6 應力云圖Fig.6 Contour of stress

由圖6可知，上部焊縫應力較大的區域較下部大，這是因為兩種坡口形式不同，下部焊縫更有利于變形釋放焊接拘束力，因而應力區域較小。

2.4 殘余應力試驗驗證

采用盲孔法殘余應力測試儀對吊臂焊后折彎角135°附近對接焊縫焊趾位置進行應力測量，試驗測量如圖7a所示。記錄測量結果，對比模擬結果和測量結果，如表2所示。

表2 模擬和測量結果Table 2 Simulation and measurement

由圖7b可知，模擬應力分布趨勢與試驗測量相吻合，模擬結果與測量結果誤差控制在26.1%以內，滿足工程應用要求。在靠近吊臂起弧位置應力出現較大偏差，這是因為測量位置位于應力梯度變化較大處且靠近起弧位置，受起弧不穩定因素影響；同時與盲孔法測量誤差有關。在吊臂中間位置，測量應力值波動較小，既證明殘余應力變化不大，也說明盲孔法測量誤差影響小，測量數據有效。

圖7 試驗測量與驗證Fig.7 Experiment measurement and verification

通過對焊接變形和應力結果進行試驗驗證，模擬結果與試驗結果吻合較好，變形誤差在0.5 mm以內，應力誤差在26.1%以內，驗證了建立有限元模型的正確性。

3 結論

（1）吊臂整體變形趨勢為向內收縮，峰值位置位于自由端面焊縫位置處，峰值為1.66mm。

（2）應力峰值為459.9 MPa，位于焊縫位置。

（3）模擬焊接變形與試驗結果誤差在0.5 mm以內，應力誤差在26.1%以內，證明了模擬結果的準確性。

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Three-dimensional numerical simulation of the welding deformation and stress of box girder

FANG Yuanbin1，2，LI Wen1，2，ZHANG Liping1，2，LU Yongneng1，2
（1.XCMG Jiangsu Xuzhou Engineering Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China；2.State key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Advanced Construction Machinery，XCMG Construction Machinery Co.，Ltd.，Xuzhou 221004，China）

The welding process of box girder boom is simulated by the finite element analysis and then the postweld deformation and residual stress distribution of the boom are obtained.The experiment is verified by the Metra SCAN and blind-hole methods.The results show that the deformation trend is contracted inwards，the deformation is upwarping near the welds and its peak is located at the arc ignition and extinguishing，the peak value is 1.66 mm.Residual stress is high near the welds and its peak value is 459.9 MPa.The error between simulation results and experimental results is within 0.5 mm.The simulation results well agree with the measurement results of blind-hole method，and the error is 26.1%and meets the requirements of engineering application，which proves the accuracy of simulation results.

box girder；welding deformation；stress；Metra SCAN

TG404

A

1001－2303（2017）06－0069-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.15

2017-01-07

國家科技支撐計劃（2015BAF07B02）

房元斌（1985—），男，工程師，碩士，主要從事焊接數值仿真及工藝研究方面的工作。E－mail：fybflying@163.com。

本文參考文獻引用格式：房元斌，李穩，張立平，等.箱型梁焊接變形和應力三維數值模擬[J].電焊機，2017，47（06）：69-72.