分析az31镁合金tig氩弧焊接应力场的数值模拟

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1、学兔兔www.xuetutu.com第6期(总第175期)机械工程与自动化NO．62012年l2月MECHANICALENGINEERING＆AUTOMATIONDec．文章编号：1672-6413(2O12)O6—0013—03AZ31镁合金TIG氩弧焊接应力场的数值模拟米吴志生，邓华然，曾亮，赵菲(太原科技大学材料科学与工程学院，山西太原030024)摘要：以开V形坡口镁合金薄板对接为例，利用ANSYS软件对其焊接过程进行了模拟分析。首先建立了一个三维有限元模型，并利用生死单元技术模拟实际的焊接过程，得到了焊接温度

2、场及残余应力场的分布情况，并对结果进行了分析和讨论。同时，在相同工艺条件下完成了实际的焊接实验，并对焊接残余应力进行了测量。实测结果与计算结果比较吻合，这说明ANSYS的单元生死技术可以有效地模拟焊接过程，本方法对焊接模拟工作中各种关键问题的处理比较得当。关键词：焊接；ANSYS；有限元模拟；生死单元技术中图分类号：TG44文献标识码：A0引言接温度场，但是通过计算机和ANSYS软件就可以有焊接工艺由于自身的一些特点，会给被焊工件带效进行焊接温度场的计算。来一些焊接应力、变形(焊接残余变形、翘曲、收缩)，这2物理模型些

3、应力和变形不仅使焊接质量无法得到保证，并在一焊板材料为AZ31镁合金，尺寸为200mm×定程度上影响到加工精度和三维结构的稳定性n]。造150mmX7mm，对接接头坡口形式及尺寸如图1所示。成这些缺陷的主要原因是焊接过程当中不科学的热输人。因此对焊接温度场和应力场进行理论与实验研究在工程实践中具有重要的价值和意义。本文以开V形坡口镁合金薄板对接为例，利用ANSYS软件对其焊接过程进行了模拟分析乜]。1数学模型在进行温度场计算时，焊接过程可以简化为一个图1对接接头坡口形式及尺寸非线性瞬态传热过程。其温度分布可以根据能量守

4、恒焊接采用交流钨极氩弧焊(TIG)，焊接结束后冷方程求解]：却到常温。焊接工艺参数见表1。01+div(puT)=div(k--gradT)+ST。⋯(1)，，表1镁合金的焊接工艺参数当不考虑传质过程时方程(1)可以展开为：钨极直径焊丝直径电流焊接速度喷嘴直径氩气流量OTAL／minpPc～～Ot：一：=(‘鱼OT)+十(‘鱼娶)’+十(‘鱼娶)+十Z．42．8175～185162～2311213ST。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2)3有限元计算其中：p为材料的密度；c为材料的比热容；T为焊接时3．1有限元模

5、型的温度；忌为传热系数；S为物体内热源。温度场分析时，单元类型为三维八节点热分析单材料的参数p、c和k一般随温度变化。焊接时的元SolidTO，利用生死单元技术，对焊缝连续凝固的过传热过程相当复杂，很难应用方程(1)、(2)直接求解焊程进行分析。应力场分析时，单元类型为结构分析单山西省自然科学基金资助项目(2009011028—27)；教育部博士生基金资助项目(20101415l10002)收稿日期：2012-04—18；修回日期：2012—06—20作者简介：吴志生(1963-)，男，山西太原人，博士，教授，博士生导

6、师。学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com2012年第6期吴志生，等：AZ31镁合金TIG氩弧焊接应力场的数值模拟·15·图5中，d为直线1上测点距左侧边的距离。图6中，力则是两端部受压应力，中间部位受拉应力，在距焊件d为直线2上测点距焊缝的距离。端部5Omm～150ITlm处也有一个相对平缓区，到两端时残余应力出现急剧变化，逐渐表现为压应力。图6中，在垂直于焊缝的直线2处，纵向残余应力主要表现为压应力，随着距焊缝距离的增大，焊接残余应力值逐渐变小；而横向残余应力主要表现为拉应力，在距

7、焊缝20mm处的焊接残余应力值最大，随着距焊缝距离的增大，焊接残余应力值逐渐变小。O12Ol0100图4选取残余应力测量点的位置示意图2O、===．8030—44060．35O试验结果402Ir601I7O2OAii80O，船蝴瘩凰’I『—140801204080120—2⋯：‘¨／mmdI／u—3、．◆、▲、I／—4＼、。／L、酴女果(a)纵向残余应力(b)横向残余应力y，’一-5图6焊板表面直线2上各节点纵向、横向残余应力的比较050100150200d／m5结论(a)纵向残余应力焊接残余应力模拟结果与实测结果吻合

8、。这说明12010O了生死单元技术能够有效模拟焊缝的形成过程。本文8O6O采用的方法是TIG对接焊，焊板尺寸较小，但本文使4O用的分析方法可以推广到其它接头形式以及不同尺寸20O规格焊件的焊接模拟研究当中。-20参考文献：d／u[1]罗利伟，付小超．焊接残余应力的产生及其消除方法[j]_(b)横向残余应力山西建筑，2008，34(