基于Marc的三维焊接计算模型讨论_刘晓雪

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1、第五届中国CAE工程分析技术年会论文集基于Marc的三维焊接接接计算接计算模型讨论刘晓雪佟维（大连交通大学交通运输工程学院,大连116028）摘要：本文对应用于提速列车转向架焊接构架材料16MnR的平板进行了三维数值模拟，以一个对接的平板模型为例，以该模型的实测数据为参照依据，提出一系列的边界条件假设，对比实测数据验证边界条件的合理性以及提出确立边界条件的规律。关键词：焊接三维模拟残余应力边界条件Abstract:Thispaperisbasedon3Danalysisoftwo16MnRflatswhicharewid

2、elyusedinbogiemanufacture.Thatuseddifferentboundaryconditionandcomparedwiththeexperimentvalueandcertifiedthepropertyofthecalculationmodel.Keyword:Welding3-DanalysisResidualStressBoundaryCondition1.1.1.引言1.引言在机车车辆的制造过程中，焊接是连接结构的主要手段之一。焊接过程中高度集中移动的热源，使焊件经历了一个局部急剧加热

3、熔化冷却的过程，不均匀的温度场导致了焊后的残余应力和变形[1][2]。合理的分析和预测焊接残余应力和变形是进行焊接数值模拟的目的[3][4][5]。目前有限元的模拟可分为两大类：二维模拟和三维模拟。相关的研究表明[6]三维模拟与二维模拟的结果在数值大小上有差异，三维模拟较之二维模拟表现在计算的精度上更高，与实测结果更为吻合，但却需要在计算时间上花费更多，同时在模型的处理上要比二维模拟复杂，涉及到网格，边界条件等一系列的影响因素。本文就其中的一点，计算边界条件的确立进行讨论，以一个对接的平板模型为例，以该模型的实测数据为参

4、照依据，提出一系列的边界条件假设，对比实测数据验证边界条件的合理性以及提出确立边界条件的规律。2.2.2.焊接2.焊接实验及残余应力的测试实验的对象是开50度V形坡口的两块平板，材料选用16MnR，这种材质强度高同时可以降低结构自重，广泛的应用于提速列车转向架焊接构架。焊接工艺试验所用焊丝为ER50—6实芯焊丝；采用MAG焊在室温环境下进行，保护气体为80%Ar+20%CO2混合气体。试件焊接时0每焊完一道后让试件冷却，然后再焊下一道，道间温度<200C，焊接工艺参数列于表1中。试件平板尺寸长350mm，宽150mm，厚

5、10mm，三层满焊，采用盲孔法在测量点处测量应变值，计算出焊接残余应力，试件模型以及实测点位置如图1所示。表2列出了各个点距离中心线的位置以及实测的残余应力值。通常将平行于焊缝轴线方向的残余应力称为纵向残余应力，将垂直于焊缝轴线方向的残余应力称为横向残余应力。297319第五届中国CAE工程分析技术年会论文集表150°坡口三层焊接工艺参数焊接层数焊接电流焊接电压焊接速度焊接线能量-1-1v/mm·minE/KJ·cm11602015012.822202825014.832602630013.53.3.3.数值模拟过程3.

6、数值模拟过程模型采用六面体单元,共划分了13216个单元，19757个节点。图1试件模型及实验测量点位置表2残余应力测试结果纵向残余应力横向残余应力测点距焊缝中心（mm）(MPa)(MPa)10291.592.323027.222.6360-109.5-52.3490-104.841.8512040.1-43.3615242.941.2745-149.0-140.9875-152.1-33.79105-89.213.5计算热源选用GoldakGoldak提出的双椭球热源模型Goldak，此模型中热流密度沿长轴呈高斯分布前

7、半部分是1/4椭球，后半部分是3/4椭球，这是近年来在焊接数值模拟方面广泛采用的热源模型。在计算过程中考虑了材料的非线性输入了热物理参数，（弹性模量，线性膨胀系数，比热容，热导率）这些参数均为温度的函数，对于材料接近熔化及熔化后的高温性能参数选取适当的值，在不影响计算的精度的同时，能够提高计算效率，如表3所列。焊接计算过程中总298320第五届中国CAE工程分析技术年会论文集输入能量的数值是根据计算得到的线能量的总和，并且根据实验结果调整能量值的比率，对应实际能量的输入。表4中列出了能量输入的具体值。在计算的过程中也是动

8、态的模拟了三层焊接填充，即每完成一道之后给模型以足够的时间冷却至室温，然后以此作为下一层焊接开始的边界条件。表3材料物理性能参数0温度（C）3050010001500弹性模量Mpa2.1E51.7E51.3E50.79E5泊松比0.30.30.30.30线膨胀系数（1/C）0.8E-51.3E-51.4E-51.4E