平板焊接变形固有应变方法的研究

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1、第五届中国CAE工程分析技术年会论文集平板焊焊焊接焊接接接变形变形预测固有应变方法的研究黄辉，赵耀，袁华（华中科技大学，船舶与海洋工程学院，武汉430074）摘摘摘摘要要要要::::固有应变法可以实现大型结构焊接变形的预测，对结构焊接工艺有重要的指导意义。正确地计算固有应变和有效的施加固有应变决定了焊接变形计算结果的可靠性和精确度。本文介绍了加载固有应变的方法及其预测焊接变形的应用，通过有限元模拟与实验结果对比，以及弹塑性有限元法和固有应变法的计算结果对比，说明了热应变法和初应力法的正确性，为准确预报焊接结构的变形

2、提供了参考依据。关键词：固有应变法；焊接变形；热应变；初应力1111研究背景研究背景焊接是船舶、桥梁等工程中的重要连接工艺，对结构的装配精度有重要的影响。长期以来，如何预测并控制结构的焊接变形是人们研究的重要课题。热弹塑性方法可以进行焊接变形和三维应力的预测，但由于焊接是个高度非线性问题，对计算机性能的需求很大，因此大型结[1]构的焊接仿真才刚刚起步。固有应变法是近十几年来发展较快的方法，可以实现对大型结构焊接变形的预测。该方法认为固有应变存在于焊缝及其附近，固有应变的大小和分布决定了焊接变形和残余应力。若能确定固

3、有应变大小和分布与焊接热输入和构件尺寸的关系，将固有应变作为初始应变施加到结构上，进行一次弹性有限元计算，就可以得出结构的应力和变[2]形。与热弹塑性有限元相比，固有应变法大幅减少了计算量，使大型结构焊接变形的预测成为可能。正确地理解焊接变形的产生根源，合理地提取和加载固有应变，决定焊接变形计算的精度。传统的观点认为焊接引起的角变形是沿板厚方向不均匀分布的横向应变引起的，通[3]常只考虑了横向固有应变和纵向固有应变，徐琳的研究认为角接焊的角变形由剪切固有应变引起。这就导致了固有应变加载时需考虑剪切固有应变，使计算变

4、得相当复杂。本文提出了基于等效固有应变的热应变方法和考虑固有变形的初应力方法，使计算变得简单而可靠。2222固有应变加载方法的理论固有应变加载方法的理论2.12.12.1热应变法热应变法ANSYS、ABAQUS等大型有限元软件的材料模块中能定义各向异性的热膨胀系数，可以对单元施加不同方向不同大小的热应变，这一特点正好符合固有应变的特征。由于大多数焊接过程中，残留应变以横向应变、纵向应变、角应变为主，而且这三种应变的分布基本上决定了构件的最终变形。若能模拟这三种应变的三维分布情况，将热弹塑性有限元分析得到的固有应变直

5、接施加到弹性板壳模型上，将大大缩减有限元规模和计算的时间，从而使大型结构焊接变形的有限元计算成为可能。对于平板表面堆焊和角接焊，将热弹塑性有限元方法计算得出的塑性残余应变eP沿焊缝截WxWW面进行积分，分别得到该截面处纵向固有应变之和、横向固有应变之和y以及x作用中心的高度cx、Wy作用中心的高度cy，即W=e*dydz(1)x∫xAx728第五届中国CAE工程分析技术年会论文集W=e*dydz(2)y∫yAxc=zdydzAe*/(3)x∫xxAxc=zdydzAe*/(4)y∫yxAxA式中x代表垂直于焊缝的截

6、面若不考虑平板的纵向弯曲和面内扭转WxWy，而仅考虑因Wy作用位置偏离中面引起的角变形，则可以认为作用中心与作用中心重合。施加固有应变时，横向固有应变区域的高度应满足下式：hy=2(hc-y)(5)[3]经过系列的数值实验并参照文献后发现，当焊脚接尺寸相对板厚较大或热输入很大时，角接焊的角变形并不是由于横向固有应变偏离板中面所产生的，而是焊脚及其附近的剪切固有应变所产生的。为避免研究各类固有应变的复杂性，将角变形在焊缝附近引起的弯矩用等[4]效横向固有应变来表示。图1等效横向固有应变引起角变形示意图假设平均角变形为

7、q(rad)，则应有q=dB/(6)式中d为焊缝处平均垂向位移，B为翼板的半宽。2B若弯矩的作用区域为w，则曲率半径为Bwr=(7)q这样单位长度上的弯矩则为：113M=×EI=Eh(8)r12rh设横向固有应变加载高度为y，则沿焊缝单位长度上产生的弯矩大小为(h-hy)(9)M=Ehay2W此外，焊接接头横向固有应变的总和y应满足条件W=2ahB(10)yyw由以上各式可得施加横向固有应变的高度为dh3h=-h(11)y3BWy根据ABAQUS软件中提供的各向异性热膨胀系数功能，可以用热载荷的形式加到壳单元或实体

8、单元中，从而实现固有应变的施加：729第五届中国CAE工程分析技术年会论文集e=a×DT(12)其中a为热膨胀系数大小，此处为截面平均固有应变数值；DT为单位温度载荷这样对薄板而言，一点总的应变为1ex=(sx-usy)+axD=Teex+ex*(13)Eey=1(sy-usx)+ayD=Teey+ey*(14)E1gxy=txy(15)G这样总应变在弹性应