LF6铝合金薄板平面内环焊缝焊接应力与变形的数值模拟

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1、第25卷第4期焊接学报VOI.25NO.42004年8月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONAugust2004LF6铝合金薄板平面内环焊缝焊接应力与变形的数值模拟方洪渊，王霄腾，范成磊，杨建国（哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室，哈尔滨l5000l）摘要：从力学角度出发，以LF6铝合金薄板平面内环焊缝的焊接为例，对其焊接残余应力和变形的特点进行了探讨。采用非线性有限元技术，对常规焊接条件下温度场和应力场进行了模拟，结合弹性稳定性理论对环焊缝焊接产生的特殊变形规律进行了研究。数值

2、模拟结果表明，在环焊缝焊接过程中形成了与常规对接焊完全不同的焊接热循环过程，残余应力状态复杂；焊缝外侧的压应力超过了失稳变形极限，造成了铝合金薄板的失稳变形。关键词：焊接残余应力；失稳变形；有限元方法中图分类号：TG404文献标识码：A文章编号：0253-360X（2004）04-73-04方洪渊0序言l50mm，厚度2mm的圆环形LF6铝合金薄板上沿半径!2=80mm进行环形堆焊，焊接速度5mm/s，平面内环形焊接结构作为一种复杂结构在航空焊接电流l27A，电弧电压l6V，基本几何模型如航天和压力容器中有着广泛的应用。在这种结构的

3、图la所示。焊接过程中，由于焊接热循环和大的拘束度共同作用，致使焊接结构残余应力的分布和大小与常规对接焊缝大不相同。因此对环形结构的焊接进行数值模拟和分析也日益受到人们的重视。在焊接数值模拟方面也有很多人针对平面内环焊缝进行了研究和［l~4］分析。但对于焊接环焊缝数值模拟工作的重点还是在利用简化的平面应力模型进行计算分析，更复杂的三维数值模拟仍停留在探索阶段，尤其是对于易于产生大的失稳变形的薄板和薄壳结构而言，如何分析其变形和应力的特点仍是一个有待解决的问题。作者针对LF6铝合金平面内环焊缝焊接问题采用商用非线性有限元软件MSC.M

4、arc进行了三维热弹塑性有限元分析，并针对上文提到的问题提出了相应的解决方案。采用弹性稳定性理论对薄板焊接变形进行了预测和分析，并利用有限元软件对变形进行进一步的模拟。l平面环焊缝有限元模型的建立1.1有限元模型的建立在内孔半径!l=37.5mm，外圆半径!3=图1环焊缝的几何模型和网格划分收稿日期：2003-06-03Fig.1Geometryofcircularweldandadaptivemesh74焊接学报第25卷［6］由于焊接过程是个高度集中热源的移动过程，热源模型，可获得更满意的结果。导致在焊缝处的极大的温度梯度，需要密

5、集的单元前半部分椭球模型定义为网格来拟合；而在远离焊缝区域，温度梯度不是很剧6!3ff0-（3x/a）2-（3y/6）2-（3z/c1）2烈，这时过密的网格不仅对精度的提高没有帮助，反（gx，y，z，t）=(!!)eee，a6c1!而会增加不必要的计算时间。为了节约分析的成本后半部分椭球模型定义为和计算时间，采取了网格自适应划分的新技术来对焊接过程进行模拟。初始网格划分如图1所示。选6!3fb0-（3x/a）2-（3y/6）2-（3z/c2）2（gx，y，z，t）=()eee，!!取的划分准则为温度梯度准则，当单元的温度梯度a6c2

6、!gel大于给定的温度梯度判据flgmax的时候对单元进行式中：a、6分别是椭球模型的x、y半轴长度；c1、c2分2两级细分，在x、y、z三个方向上各划分为2=4分，别是前后椭球体z向的半轴长度；ff、fb是热源集中f1为应力误差系数。这种细分技术动态将大量细分系数，ff+fb=1；0是热输入量，0=!U（I!是电弧的得到的网格分配给了热源移动过的地方，而温度梯热效率）。度较小的地方则保持较疏的网格密度，这样可以提温度边界条件施加对流边界条件和辐射边界条高数值模拟的效率和精度。件，位移边界条件定义起弧端的Ux、Uy、Uz方向上的建立

7、的有限元模型如图1b所示，基本单元为8位移约束。节点6面体单元。采用固定时间步求解，焊接时间100S，每个时间步0.5S；焊后冷却250S，每个时间2数值模拟结果与分析步1S。初始单元数为720，模拟结束时的单元数为2197。2.1环焊缝焊接温度场计算结果1.2材料性能图3a为焊接进入准稳态时的温度场，显然温度材料的物理性能参数和力学性能参数是温度场场的分布不是轴对称的，在焊接过程中，同一时刻熔数值模拟过程中最重要的物理量，其选取的正确与合线两侧的温度并不相同。内侧的温度要高于外否，对模拟结果的准确起决定性的作用。研究所采侧，这种温

8、度场的不对称性是由于散热边界条件不用的参数部分引用了文献［5］的数据，如图2所示，同所引起的。通过低温参数曲线予以适当的外推得出高温参数。图3b为在1-1截面上的焊接热循环，考察450个增量步内距圆心50mm、80mm（熔池）、150