鋁合金焊接件的結構應力與變形有限元分析

王 亮

（甘肅能源化工職業學院，甘肅 蘭州 730207）

鋁及鋁合金材料在工業生產中具有優良的導電導熱性能和較強的耐腐蝕性等優勢，在我國工業市場內鋁合金制品已實現了廣泛應用。考慮到鋁合金制品的硬度相對低，因此在使用此種材料進行工業生產過程中，可采用對鋁合金制品進行焊接的方式制作[1]。但鋁合金焊接件在投入市場應用的過程中受到應力結構及其變形的影響，為此需要更好地掌握鋁合金焊接件變形與結構應力之間的關系。總之，截至目前鋁合金焊接件已被我國廣泛應用到電子產業、航空航天生產制造產業等領域，一些常規的發電機也均在某種程度上做到了使用鋁制品代替銅制品，因此鋁合金焊接件在當下市場的應用前景是較為廣闊的。

1 鋁合金焊接件的結構應力與變形有限元分析方法

1.1 基于過渡法構建有限元分析模型

為了實現對合金焊接件結構應力與變形的有效分析，本章采用劃分有限元網格的方式，構建有限元分析模型。在此過程中，網格規劃的合理性與有限元計算機結果的準確率具有較為直接的聯系[2]。綜合上述分析，在構建模型網格過程中，可引進網格過渡法進行設計。過渡法結構可參照如下圖1。

圖1 網格過渡法

按照上述圖1中內容構建模型有限元網格結構，在此過程中，考慮到鋁合金焊接件的焊接過程屬于一種受熱不均勻過程，因此在劃分網格時，通常會選擇非均勻網格進行劃分。在焊接或其附近區域，可利用加密網格結構，反之，在鋁合金焊接件平滑區域，可選擇稀疏網格結構[3]。同時，應注意網格的設計應確保每個單元尺寸具備一定協調性。因此，在完成對網格的設計后，需要同步采用差值計算的方式，選擇集成的六面體單元作為有限元分析模型的邊界結構。

1.2 模擬鋁合金焊接件的結構應力

在完成對有限元分析模型的構建后，可采用將鋁合金焊接件與混凝土節點耦合的方式，對鋁合金焊接件的結構應力進行模擬。在此過程中，考慮到采用個體切割法難度較高，因此本文選擇直接耦合法進行結構應力的分析。基本步驟如下。

根據鋁合金焊接件結構對其進行實體模型的構建（無須考慮焊接點力筋）→根據焊接點位置處力筋的分布構建分析模型（不考慮焊接件實體結構）→將焊接件的實體結構與力筋進行獨立處理→選擇與力筋相關的結構節點（在有限元模型中執行nsll命令）→按照焊接點順序對模型與實體進行對應耦合（建議使用cp指令，否則在cpintf指令下節點可能發生其他耦合現象）→對耦合的模型進行邊界條件規劃（施加負荷求解）。

綜合對有限元模型的分析可知，鋁合金焊接件的結構應力在耦合預緊狀態下，其等效應力與結構應力是呈現一種非線性關系的。對此，繪制鋁合金焊接件最大等效力與結構應力關系圖，如下圖2所示。

圖2 鋁合金焊接件最大等效力與結構應力的關系

根據上述圖2，可以顯著地看出，鋁合金焊接件最大等效力與結構應力的關系可分別劃分為三個階段。其中第一個階段為外界作用力較小的階段（結構應力在0kN～5.0kN范圍內），此時焊接件的等效應力隨著外界作用力的增加先略有減低再增加。第二個階段為外界作用力持續加大的階段（結構應力在5.0kN～10.0kN范圍內），此時焊接件的等效應力隨著外界作用力的增加變化相對平緩（緩慢增加趨勢）。第三個階段為外界作用力進一步增加階段（結構應力在10.0kN～15.0kN范圍內），此時焊接件的等效應力隨著外界作用力的增加快速增加。

1.3 計算不同結構應力下的變形位移結果

在完成對鋁合金焊接件的結構應力的模擬與分析后，考慮到金屬構件應用對于鋁合金焊接件的撓度（L）要求相對較高。因此，選擇L=600.0作為撓度標準值，對不同結構應力下的變形位移結果進行計算。計算過程中，需要按照傳統的計算方法，給定結構等效應力的明確值，以此種方式解析鋁合金焊接件變形位移。計算公式如下。

公式（1）中：σe表示為在指定結構應力下鋁合金焊接件的變形位移量；Mk表示為鋁合金焊接件的預緊作用力（計算單位表示為MPa）；α表示為預緊系數，通常情況下表示為常數；d表示為鋁合金焊接件的公稱直徑（計算單位為mm）；Kc表示為鋁合金焊接件的荷載因子；F表示為鋁合金焊接件的橫向載荷；β表示為定義唯一計算結果屬于無鋼量載荷情況。簡化處理上述計算公式。如下公式（2）所示。

2 實驗論證

為了證明上述設計的有限元分析方法在鋁合金焊接件結構應力與變形分析中的有效性，本章選擇某金屬生產制造公司中，正處于生產線內的鋁合金焊接件作為此次論證的對象。應用本文提出的有限元分析方法，對鋁合金焊接件的結構應力與變形進行分析。統計在不同結構應力下，鋁合金焊接件的變形結果。變形結果如下表1所示。

表1 鋁合金焊接件在不同結構應力條件下的變形結果

如上述表1所示內容，在不同結構應力條件下，鋁合金焊接件的變形結果是呈現不同位移結果的，因此證明本文提出的有限元分析方法在實際應用中，具備一定有效性。

3 結束語

為了進一步滿足市場的需求，提升鋁合金焊接件制品在市場內的競爭能力，本文將以鋁合金焊接件為例，對其結構應力與變形進行有限元分析，以此種方式實現對鋁合金焊接件生產過程與焊接流程的優化。并在完成對其的分析后，選擇某金屬生產制造公司中，正處于生產線內的鋁合金焊接件作為實驗論證的對象，證明本文提出的有限元分析方法，在不同結構應力下，得出的變形位移結果是不同的，因此說明了本文提出的有限元分析方法更為有效。