基于ABAQUS的挖掘機(jī)鏟斗熱—力耦合分析

黃 莉

(江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，江蘇南京 210007)

基于ABAQUS的挖掘機(jī)鏟斗熱—力耦合分析

黃 莉

(江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，江蘇南京 210007)

建立了挖掘機(jī)鏟斗幾何模型，采用有限元的思路，使用大型有限元軟件ABAQUS對其焊接動態(tài)過程進(jìn)行數(shù)值模擬?？紤]到材料的力學(xué)性能，以熱－彈塑性分析為基礎(chǔ)，通過熱－力場間接耦合，把溫度場耦合到應(yīng)力場中，對焊接過程等效應(yīng)力場、瞬時等效應(yīng)力、焊接道次間等效應(yīng)力、殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析，獲得了焊接過程的應(yīng)力場具體分布情況。

焊接;ABAQUS;熱－力耦合;應(yīng)力場

焊接過程中的應(yīng)力應(yīng)變及焊接后的殘余應(yīng)力和殘余變形，是影響焊接裂紋和焊接接頭性能的重要因素。焊接應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬分析一般包括焊接動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變、焊接殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變。研究焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值方法有許多，如固有應(yīng)變法、基于熱彈塑性有限元分析、考慮相變與熱應(yīng)力耦合效應(yīng)等［1］。20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對焊接的仿真模擬做了大量研究工作。Shim等人采用基于平面應(yīng)變熱彈塑性的有限元法，對不同的坡口形狀所產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了各種分析區(qū)別［2－3］。Shan等人采用3D有限元模型對試驗進(jìn)行了驗證，并成功預(yù)測了殘余應(yīng)力的分布［4］。梁曉燕建立了雙熱源模型，選取了不同方向來觀察其殘余應(yīng)力，獲得中厚板的變形量，計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)結(jié)果相差不大［5］。從以上研究可以看出，焊接數(shù)值分析取得了一定的成果，不過大型構(gòu)件還有待做進(jìn)一步研究。

本文針對挖掘機(jī)鏟斗體，運用ABAQUS軟件對其焊接過程進(jìn)行數(shù)值仿真，試圖獲得焊接過程的動態(tài)應(yīng)力場和殘余應(yīng)力，用于指導(dǎo)實際生產(chǎn)。

1 有限元模型建立

焊接的整個過程變化復(fù)雜，在利用有限元進(jìn)行焊接熱力學(xué)模擬時，一般以溫度場、應(yīng)力場、變形和組織之間的互相影響為考慮對象，忽略其他因素，它們的相互關(guān)系可簡化成圖1，圖中實線表示強(qiáng)烈的影響關(guān)系，虛線表示較弱的影響關(guān)系。

圖1 溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場與顯微組織狀態(tài)場的相互影響

從圖1可以看出，焊接的溫度場和金相顯微組織對焊接應(yīng)力應(yīng)變的影響比較大，反過來的影響卻很小，因此在分析焊接過程的時候，一般只考慮單向耦合關(guān)系，就是焊接溫度場和金相顯微組織對焊接應(yīng)力應(yīng)變場所起的影響，不考慮反作用影響。本文所研究的是高強(qiáng)鋼HG70焊接結(jié)構(gòu)的溫度場和應(yīng)力分布規(guī)律，一般對高強(qiáng)鋼而言，由于在冷卻過程中的相變發(fā)生在較低溫度，所以需要考慮相變對焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的影響，不過與相變時的體積膨脹相比，對殘余應(yīng)力的影響就顯得很小，因而沒有考慮相變潛熱對殘余應(yīng)力的影響［6－8］。

采用順序耦合熱應(yīng)力分析的方式對焊接應(yīng)力場求解［9］，用Python語言編寫熱源程序，將鏟斗體的溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行耦合，且溫度場計算結(jié)果作為應(yīng)力場分析預(yù)定義場，鏟斗體中焊接溫度場對焊接殘余應(yīng)力的影響比較大，不過焊接應(yīng)力場對溫度場的影響比較小，求解流程如圖2所示。

1.1 網(wǎng)格劃分

鏟斗體的幾何模型如圖3所示，焊縫長度約為2.3m。由于焊件比較厚，采用多層多道焊以填滿截面內(nèi)的坡口。在劃分網(wǎng)格時考慮到網(wǎng)格精度與計算結(jié)果精度和計算時間的關(guān)系，對受焊接影響較大的區(qū)域使用網(wǎng)格加密，在遠(yuǎn)離焊縫的地方采用較粗的網(wǎng)格，具體劃分情況如圖4所示。在做鏟斗焊接應(yīng)力有限元分析時，采用與溫度分析時相同的單元和節(jié)點。

圖2 順次耦合數(shù)據(jù)流程圖

圖3 鏟斗體幾何模型 圖4 鏟斗體有限元模型

1.2 材料熱力學(xué)參數(shù)設(shè)置

在焊件應(yīng)力場的分析中，假設(shè)材料為理想的塑性材料，不考慮切變模量和硬化指數(shù)，用到的材料熱力學(xué)參數(shù)主要有熱膨脹系數(shù)、泊松比、屈服應(yīng)力等，這些參數(shù)都隨溫度變化而變化，具體見表1。

表1 HG70材料熱力學(xué)性能參數(shù)

1.3 邊界條件的約束

分析計算應(yīng)力場時，在遠(yuǎn)離焊縫的相關(guān)區(qū)域約束其自由度，以達(dá)到控制焊件剛性移動的要求，避免了鏟斗在計算過程中產(chǎn)生剛性位移，且不影響焊接過程中的自由變形和應(yīng)力。如圖5所示，在箭頭所示的方向上面添加約束，與實際工藝中的夾具作用相同。

圖5 鏟斗位移邊界約束

2 應(yīng)力應(yīng)變場求解

焊接應(yīng)力通常分為焊接瞬時應(yīng)力和殘余應(yīng)力。前者是指在焊接過程中，某一時刻的焊接應(yīng)力，隨著時間而改變;后者是指在焊接結(jié)束后，焊件內(nèi)部余留下來的焊接應(yīng)力，即內(nèi)應(yīng)力，主要用來平衡自身分布的應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力主要是由于焊接時不均勻的溫度場引起的，殘余應(yīng)力對焊件的使用有著很大的影響。

2.1 等效應(yīng)力場分析

選取填充焊對等效應(yīng)力場進(jìn)行分析，其中t=34.74s，t=77.79s，t=107.80s時間點的等效應(yīng)力分布圖分別如圖6～圖8所示。

圖6 時間t=34.74s時的應(yīng)力場分布圖

圖7 時間t=77.79s時的應(yīng)力場分布圖

圖8 時間t=107.80s時的應(yīng)力場分布圖

以上3個圖顯示了焊接過程中不同加熱時刻的等效應(yīng)力的動態(tài)變化情況，可以看出，在焊縫區(qū)域及其附近的地方，因為加熱溫度高，受熱膨脹，所以表現(xiàn)出比較大的熱應(yīng)力，反之，在焊縫遠(yuǎn)處溫度相對比較低，熱應(yīng)力比較小。

2.2 瞬時等效應(yīng)力變化分析

前面已經(jīng)提到，焊接瞬時應(yīng)力為焊接過程中某一瞬時的焊接應(yīng)力。故在鏟斗上選取幾個點，觀察其在焊接過程中等效應(yīng)力的變化，所選點為圖9中的o點，截面2為焊縫中心線所在平面，在焊縫熱影響區(qū)，點H距離焊縫左端5.0mm，點I距離焊縫10.0mm，點M距離焊縫右端11.5mm，點N距離焊縫中心5.0mm，選取的點都在焊縫附近，在截面1，2處，沿著焊縫前端面和后端面分別取點H1，H2，I1，I2，對各個節(jié)點的等效應(yīng)力進(jìn)行分析，得到各點在焊接過程中等效應(yīng)力的變化規(guī)律，如圖10和圖11所示。

圖9 節(jié)點布置圖

圖10 在H1和H2節(jié)點處的等效應(yīng)力曲線圖

圖11 在I1和I2節(jié)點處的等效應(yīng)力曲線圖

從圖中可以看出，H1和I1在焊接過程中的等效應(yīng)力表現(xiàn)相似，從熱源離開焊縫時，應(yīng)力逐漸變大，由于H1距離焊縫中心較I1略微遠(yuǎn)一些，所以最高應(yīng)力稍微高點。H2和I2等效應(yīng)力表現(xiàn)趨勢相似，應(yīng)力數(shù)值相差不大，隨著熱源的靠近和離開，數(shù)值變化比較平穩(wěn)。

2.3 焊接道次之間的等效應(yīng)力

由于前一道次的溫度會對接下來的道次有強(qiáng)烈的熱作用，使得焊接應(yīng)力表現(xiàn)得更復(fù)雜，圖12～圖15所示分別為焊道的等效應(yīng)力圖。以右側(cè)填充焊、蓋面焊分別焊接完冷卻50s時的等效應(yīng)力場為例，分析等效應(yīng)力場的分布規(guī)律，由圖可以看出，每焊完一道次冷卻一定時間后的最高等效應(yīng)力值均出現(xiàn)在焊縫上，值最高達(dá)到643.9MPa，接近材料的屈服極限700MPa，在焊縫兩側(cè)區(qū)域，等效應(yīng)力逐漸降低，最小應(yīng)力僅為50MPa左右。

圖12 右側(cè)填充焊首道焊冷卻結(jié)束

圖13 右側(cè)蓋面焊首道焊冷卻結(jié)束

圖14 右側(cè)填充焊二道焊冷卻結(jié)束

圖15 右側(cè)蓋面焊二道焊冷卻結(jié)束

2.4 殘余應(yīng)力分析

為了能夠準(zhǔn)確地描述鏟斗的殘余應(yīng)力變化情況，通過建立路徑來分析整個鏟斗體冷卻到室溫時焊接接頭各方向的殘余應(yīng)力情況，定義路徑1為起點H所在截面沿著焊縫的方向，路徑2為起點M所在截面沿著焊縫的方向。

圖16所示為路徑1上的縱向殘余應(yīng)力分布，均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，沿著焊縫方向，前端部分的應(yīng)力值逐漸變大，再變小，最后再變大，在焊縫方向0.88m的位置拉應(yīng)力值達(dá)到極大值462.594MPa，末端位置達(dá)到最大應(yīng)力值484.474MPa。

圖16 路徑1上的縱向殘余應(yīng)力

圖17所示為路徑1上的橫向殘余應(yīng)力分布，均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，大部分應(yīng)力值小于縱向應(yīng)力值，位于50～250MPa之間，整個曲線呈現(xiàn)波浪形，在距離起點1.25～1.75m左右，應(yīng)力值變化波動較大，最大值為 451.979MPa。

圖17 路徑1上的橫向殘余應(yīng)力

圖18所示為路徑2上的縱向殘余應(yīng)力分布，曲線形狀呈現(xiàn)出“M”形，在距離起點1.90m之內(nèi)，縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，數(shù)值由小逐漸變大，在0.70m的時候達(dá)到最大值419.240MPa，然后又逐漸變小，在0.99m 處為極小值 219.887MPa，接著在1.49m的時候達(dá)到極大值363.927MPa，從1.90m至末端，大多數(shù)縱向應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在末端2.36m處達(dá)到最小值225.963MPa。

圖18 路徑2上的縱向殘余應(yīng)力

圖19所示為路徑2上的橫向殘余應(yīng)力分布，曲線形狀呈現(xiàn)出波浪形，在距離起點2.00m之內(nèi)，縱向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為拉應(yīng)力，數(shù)值由小增大再變小，中間呈現(xiàn)鋸齒形狀，在1.10m處拉應(yīng)力達(dá)到最大值492.726MPa，在 2.00m 之后，先表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最后在末端又表現(xiàn)為拉應(yīng)力，在2.25m處，達(dá)到最大壓應(yīng)力 280.953MPa，末端拉應(yīng)力值為231.053MPa。

圖19 路徑2上的橫向殘余應(yīng)力

2.5 焊接殘余變形

焊接冷卻之后產(chǎn)生的殘余變形會影響后續(xù)結(jié)構(gòu)件之間的裝配，在實際生產(chǎn)過程起著比較關(guān)鍵的作用。

圖20所示為焊接結(jié)束之后冷卻到室溫時的總位移云圖，從圖20可以看出，在焊縫中間位置和末端處，位移值達(dá)到最大值，為0.912 6mm，由于熱源的離開，焊縫在冷卻之后產(chǎn)生了一定的橫向收縮，所以隨著遠(yuǎn)離焊縫，位移值逐漸變小，直至沒有位移變形。圖中看出鏟斗體整體的位移不是特別大，所以對于大型構(gòu)件的殘余應(yīng)變考慮得比較少。

圖20 冷卻到室溫時的總位移圖

3 結(jié)束語

本文已經(jīng)在計算時間與計算精度的選擇上做了一定的研究，但還是不夠，隨著計算機(jī)軟件的發(fā)展，可以在并行計算、網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)等高級焊接技術(shù)方面進(jìn)一步優(yōu)化深入，進(jìn)而解決時間和精度的匹配問題，另外對材料在高溫處的性能參數(shù)進(jìn)行深入研究，也可以使數(shù)值模擬計算精度有所提高。

［1］汪建華.焊接數(shù)值模擬技術(shù)及應(yīng)用［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2003.

［2］武傳松.焊接熱過程數(shù)值分析［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1990.

［3］汪建華.虛擬工程與焊接力學(xué)數(shù)值模擬［C］//第十次全國焊接學(xué)術(shù)會議IT與焊接專題會議論文集.天津:中國焊接學(xué)會計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)委員會，2001:10－24.

［4］Shan X，Daviesb C M，Wangsdan T.Thermo－mechanical modeling of a single－bead－on－plate weld using the finite element method［J］.International Journal of Pressure Vessels and Piping，2009，86(1):110 －121.

［5］梁曉燕.中厚板多道焊焊接過程中溫度場和應(yīng)力場的三維數(shù)值模擬［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2004.

［6］Wood W L，Lewis R H.A comaration of time marching schemes for the transient heat conduction equation［J］.International Journal for Numerical Methods in Engineering，1975，9(3)，679 －689.

［7］Karan S S，Robert K P.Three dimensional curved shell finite elements for heat conduction［J］.Computers ＆ Structures，1987，25(5):775－778.

［8］鄭藝輝.船舶曲面焊接殘余應(yīng)力與變形有限元分析［D］.大連:大連海事大學(xué)，2008.

［9］李靖.大型船體焊接變形仿真技術(shù)研究及其應(yīng)用［D］.上海: 上海交通大學(xué)，2011.

展覽會信息:

2013中國國際船舶工業(yè)博覽會(以下簡稱“中船展”)、中國國際海洋工程與石油天然氣技術(shù)裝備展覽會(以下簡稱“海工展”)將于5月15－17日在南京國際博覽中心舉行。

2013“中船展”由江蘇省人民政府、中國國際商會主辦;由江蘇省商務(wù)廳、江蘇省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會、南京市人民政府承辦;江蘇聯(lián)亞國際展覽公司、荷蘭Ahoy展覽公司為展會的具體執(zhí)行單位。2013“中船展”邀請到中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司、中國船舶重工集團(tuán)公司、中華人民共和國漁業(yè)船舶檢驗局、中國人民解放軍海軍裝備部、中國電器工業(yè)協(xié)會防爆電器分會、中國機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)出口商會船舶分會、中國船東協(xié)會、中國船東互保協(xié)會、中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會、中國造船工程學(xué)會、中國疏浚協(xié)會、中國鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會等國家級協(xié)會、學(xué)會作為展會的協(xié)辦單位;邀請到包括江蘇省海洋與漁業(yè)局、江蘇省船舶檢驗局、中華人民共和國江蘇海事局、江蘇省船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會、江蘇省造船工程學(xué)會、中國航海學(xué)會等在內(nèi)的近70家國內(nèi)支持單位。

2013“海工展”由江蘇省人民政府、國家海洋局、中國國際商會主辦;由江蘇省經(jīng)濟(jì)和信息化委員會、江蘇省沿海地區(qū)發(fā)展辦公室、江蘇省商務(wù)廳、南京市人民政府承辦;江蘇聯(lián)亞國際展覽公司為展會具體執(zhí)行單位。在江蘇省人民政府和南京市人民政府的大力支持下，2013“海工展”邀請到中國海洋石油總公司、中國石油天然氣集團(tuán)公司、中國石油化工集團(tuán)公司、中國石油學(xué)會、中國海洋工程學(xué)會、中國海洋工程咨詢協(xié)會、中國可再生能源行業(yè)協(xié)會、中國石油和石油化工設(shè)備工業(yè)協(xié)會等國際級協(xié)會、學(xué)會作為展會的協(xié)辦單位;同時邀請到宏華集團(tuán)有限公司、上海振華重工(集團(tuán))有限公司、中國熔盛重工集團(tuán)有限公司等業(yè)界龍頭企業(yè)作為展會的支持單位。

The Thermal－mechanical Coupling Analysis of Excavator Bucket Based on ABAQUS

HUANG Li
(Jiangsu Provincial Supervising＆Testing Research Institute
for Products Quality，Jinagsu Nanjing，210007，China)

It establishes the geometric model of large hydraulic excavator bucket，and simulates its welding process in ABAQUS.Based on the mechanical properties of materials，it proposes the stress analysis of the bucket and the thermal－ mechanical coupling，shows the detail about the temperature field coupling with stress field，illustrates the dynamic stress field of welding process and residual stress on the base of hot－elastic－plastic analysis.

Welding;ABAQUS;Thermal－mechanical Coupling;Stress Field

TG402

A

2095－509X(2013)04－0014－06

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.04.004

2013－01－22

黃莉(1967—)，女，江蘇南京人，江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院高級工程師，主要從事產(chǎn)品質(zhì)量檢驗及質(zhì)量管理方面的工作。