运用ansys对焊缝残余应力及温度场分析

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1、运用ANSYS对焊缝残余应力及温度场分析========================================第1页========================================第11卷第1期2011年1月1671—1815（2011）1-0159-04科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVol.11No.1Jan.20112011Sci.Tech.Engng.运用ANSYS对焊缝残余应力及温度场分析高明宝李世芸邹云鹤（昆明理工大学机械工程学院，昆明650093）摘要在焊接过程中，高温移动热

2、源及之后的快速冷却，使得在焊缝及其附近区域产生了残留的拉应力，由此产生热应力场和残余应力。为预测焊接变形，采用有限元软件ANSYS中生死单元技术和热－结构耦合技术对异种材料钢铜连接处的铝焊缝进行数值分析，得出焊缝焊接残余应力、温度场分布情况，进而为制定正确的焊接工艺、改善焊缝性能等实际生产和使用提供理论依据。关键词焊接残余应力温度场应力场中图法分类号TG407；文献标志码A2010年10月12日收到，10月20日修改第一作者简介：高明宝（1984—），男，安徽六安人，助教，硕士研究生，研究方向：机械CADCAMCAE，计算机辅助设计。E-mail：gaom

3、ingbao123@126．com。现代大型机械金属结构中存在着大量的各种各样的焊缝，而其焊接时所产生的变形和残余应力都会对结构产生影响，尤其在焊缝附近更是如此。在实际结构中，大部分开裂故障都源于焊缝，对这些部位焊接残余应力、温度场及应力场的研究，可为结构设计方案和施工工艺的改进及工程故障的有效排除提供重要依据。随着计算机和有限元技术的发展，采用有限元方法进行数值模拟焊接过程已成为研究的热点。本文通过有限元软件ANSYS12．1对V型焊缝进行焊缝残余应力及温度场分布进行有限元分析。1有限元模型建立及求解计算1．1物理模型焊料为铝，将两块尺寸相同的钢板、铜板焊接

4、在一起，它们的剖面几何尺寸如图1所示。钢、铜、铝的材料属性为表1所示。焊接试验采用沿y方向进行焊接。在本数值计算中，假定假设无对流和辐射，结构左面固定约束，左右两边界均给定30℃的温度约束，钢板、铜板的初始温度设定为30℃，铝设定为1500℃［1］。表1钢、铜、铝的材料属性材料摄氏温度/℃弹性模量/×1011Pa屈服强度/×109Pa切变模量/×1010Pa钢302．061．42．065001．711．710000．90．50．915000．20．070．220000．010．0070．01铜301．030．91．035000．840．70．8410000．2

5、30．250．2315000．020．0380．0220000．0020．0040．002铝301．020．81．025000．50．40．510000．80．70．815000．10．10．120000．10．10．1同时对于钢、铜、铝材料各个温度下的材料密度、泊松比、传热系数、线膨胀系数、比热容，设定为常数，如表2所示。========================================第2页========================================表2钢、铜、铝的物理常数材料材料密度/（kg·m－3）泊松比传热系数/［w

6、·（m－1·℃－1）］线膨胀系数/（1·℃－1）比热容/（kg·℃）钢78000．316．31．06×10－5502铜89000．33．931．66×10－5385铝48500．37．449．36×10－6544图1剖面几何尺寸及路径path11．2有限元模型的建立和网格划分焊接的能量密度非常高，有效加热区域非常小，因而在网格划分时，要求在焊缝附近采用很小的网格尺寸，而在远离焊缝的区域可以选择较大的网格尺寸，为此本有限元模型在网格划分方面，为保证模拟精度，划分单元长度为0.05m，在焊缝区的单元予以局部加密，单元长度为0.025m，并向周边尽量均匀地过渡，同时

7、为了便于单元的重生、进行重启动分析和重新加载的操作，采用了映射网格划分技术，单元形状为四边形。另外为了保证应力一温度这两个自由度的相容，采用了2D几何模型。用直接耦合场法进行分析，因此选用了4节点的PLANEl3耦合场单元类型。最终的有限元模型如图2。图2有限元模型及所加荷载1．3焊接热源的处理（1）由于焊缝金属加热升温阶段极其短暂，本文对热源加载这一过程简化处理，直接将焊料金属温度初始温度假定为某一定值（1500℃），1对焊缝单元进行顺序加载。（2）利用DO循环将焊料区的单元按其形心Y坐标排序，排好的单元存放在定义的数组中，这一过程可用APDL语言程序实现，

8、保证了模拟焊料由下向上逐步“生长”的过