焊接仿真技術應用研究

李雪罡，李翔，王云龍

（北京航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

壁板就是飛機的外壁構件，主要由蒙皮、長桁和隔框經一定的加工工序組合而成。在壁板結構中，桁條的主要功能是支撐、固定蒙皮形狀，避免蒙皮局部在經受空氣動力時產生過大的形變。鈦合金、高強鋁合金常用來制造飛機薄壁結構件，在傳統飛機薄壁構件制造中，多采用鉚接的形式進行連接。相比鉚接，焊接具有減輕結構重量、提高效率、降低制造成本、提高結構性能等優點。其激光焊接能量密度較高，焊接效率高，熱輸入量較小，所以其焊縫性能良好，焊接結構的變形量小，正逐步廣泛應用于航空制造業。

1 概況描述

本次所選模型為某型號飛機整體加強壁板中的一部分，其整體壁板尺寸為560×560×2mm，如圖1所示。由于此模型具有一定的對稱性，所以先選取一組筋條進行焊接仿真。此飛機加強壁板的材料為TC4鈦合金。

圖1 飛機加強壁板的典型特征

2 有限元仿真

有限元仿真流程如圖2所示。

（1）模型描述。此模型為從整體模型中提取出的具有一組加強筋的局部模型，如圖3所示。

（2）有限元模型。由于模型尺寸較大，所以網格劃分時要采用由密到疏的過渡。對于腹板而言，要求焊縫及其周圍區域網格較密，這樣才能保證計算的準確性。遠離焊縫的區域要相對稀疏一些，這樣一來，保證模型網格不要太多，從而保證計算的時間不必過長；對于翼板而言，靠近焊接區域的網格要密，保證精度，遠離焊縫的區域可以相對稀疏一些；對于焊縫而言，需使得網格尺寸較小且分布均勻，其網格劃分方式如圖7所示。

表1 焊接模型概況

圖2 有限元仿真流程

加強壁板的焊接三維模型，見圖4。

圖3 局部模型示意圖

圖4 整體三維模型

（3）熱源。熱源模型的選擇取決于熔池形態、傳熱區域、焊接模擬過程等。本文選取圓錐體熱源模型，模型熱作用半徑沿深度方向線性減小，在熱源的每個截面上熱流成高斯分布，但熱流峰值在厚度方向上不變。圓錐熱源模型是熱流作用半徑在深度方向呈一定規律衰減的旋轉體熱源，這更符合實際激光焊接過程的特點。在熱源的設置中主要設置的參數有熱源的尺寸、移動速度、熱源角度、能量、效率等。針對兩種焊縫設置有不同的參數。對于兩種不同的焊縫，焊接速度均為：20mm/s，單位長度的能量均為180J/mm。但是，由于兩證焊縫的截面尺寸不同，因此，熱源的尺寸有所不同。焊接翼焊接每條焊縫的時間間隔為10s。

（4）冷卻條件。采用空氣冷卻，室溫設為20℃，冷卻時間為1800s。將整體三維模型的外表面的2D單元提取出來作為熱交換面。

（5）夾持條件。采用剛性夾持，使腹板與翼板的法相固定。加持過程分為三個階段，階段一：0～30s，加持腹板與翼板。階段二：30～600s，加持腹板，翼板與交叉翼板。階段三：600～1800s，釋放所有夾持，讓模型在自由狀態下冷卻。

3 仿真結果

（1）溫度場分布。將溫度場上限設置為材料的熔點1500℃，可以看出在焊接過程中母材達到熔化溫度，說明材料已被焊透。

圖5 溫度場分布

圖6 位移分布

（2）位移分布。從位移分布圖中可以看出，最大位移為1.066mm，發生在最后兩條焊縫處。雖然結構是對稱的，但由于焊接順序的原因，導致最終的位移分布并不對稱。

（3）變形趨勢。將變形量放大8倍進行觀察，由圖7可以看出，翼板的會產生一個弧度，并且圓弧偏向第一條焊縫，腹板的中間部分會有所拱起。

圖7 變形趨勢圖

（4）應力分布。從應力分布圖中可以看出，應力最大的地方都集中在焊縫處，最大可以達到1019MPa。

圖8 焊接結束時的應力分布

圖9 冷卻結束后的應力分布

焊接結束后的應力分布與冷卻結束后的應力分布有所不同，對比圖8與圖9可以看出，腹板上的應力由中間部分向外增大。

4 結語

（1）基于SYSWELD軟件，建立了TC4鈦合金加強壁板的激光焊接三維有限元仿真模型。（2）基于此三維有限元仿真模型，可以對TC4鈦合金加強壁板的激光焊接過程進行仿真，且可以對溫度場、應力場以及變形趨勢進行預測。（3）根據所得的仿真結果對實際焊接過程中的焊接工藝參數選擇以及焊接路徑及順序規劃進行指導。