基于SYSWELD的局部模型多層多道焊模擬仿真

張旭，瞿海雁

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.中建鋼構(gòu)有限公司，北京 100026)

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基于SYSWELD的局部模型多層多道焊模擬仿真

張旭1，瞿海雁2

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.中建鋼構(gòu)有限公司，北京 100026)

多層多道焊；熱源校核；熱循環(huán)曲線法

對于采用“局部-整體”法對大型構(gòu)件進(jìn)行的焊接裝配模擬，局部模型的計算精度對整體結(jié)果有決定性的影響。本文通過SYSWELD軟件利用“熱循環(huán)曲線法”對厚板多層多道焊進(jìn)行焊接模擬。針對多層多道焊接模擬計算，熱循環(huán)曲線法能夠解決傳統(tǒng)熱源模型加載引起的求解時間長、計算結(jié)果難以收斂無法得到計算結(jié)果的問題。首先建立實體三維模型，通過熱源校核修正熱源輸入?yún)?shù)，之后提取熱循環(huán)曲線作為熱源進(jìn)行多層多道焊焊接模擬，獲得溫度場、應(yīng)力場以及變形結(jié)果。通過有限元模擬，為整體模型計算提供可靠局部模型結(jié)果。

0引言

隨著近年超高層建筑迅速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)建筑越來越普遍。而鋼結(jié)構(gòu)最主要的連接形式為焊接，焊接變形及殘余應(yīng)力直接影響到整個結(jié)構(gòu)的受力性能以及美觀性。針對大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，擬采用“局部-整體”法思想進(jìn)行焊接裝配模擬，局部模型模擬結(jié)果的精度對于“局部-整體”法計算的精確性有決定性的影響。以局部模型即厚板多層多道焊為研究對象，采用“熱循環(huán)曲線”法對焊接溫度場、應(yīng)力場和變形進(jìn)行有限元計算并分析[1-3]，為整體鋼結(jié)構(gòu)模型計算提供可靠的局部模型結(jié)果。國內(nèi)對多層多道焊處理的常用方法有生死單元法、固有應(yīng)變法和單元軟化法[4-5]。SYSWELD軟件中的"熱循環(huán)曲線"法的原理為單元軟化法，即在整個模擬過程中已焊接單元、正在焊接單元以及待焊接單元同時存在，對所有單元的賦予很小的彈性模量以及熱傳導(dǎo)率值，使其在未焊接時不參與熱量傳遞的過程，而在焊縫單元參與焊接時，使其熱彈性模量與熱傳導(dǎo)率恢復(fù)正常值，通過此種方法簡化多層多道焊模擬過程[6]。

1模擬思路

焊接是一個包含機械、熱傳導(dǎo)和金屬冶金的過程，是非線性有限元問題。而對厚板多層多道焊進(jìn)行焊接模擬更為復(fù)雜，本文采用“熱循環(huán)曲線”法進(jìn)行模擬計算[7]。首先通過熱源校核對比模擬結(jié)果與實際焊接結(jié)果，更改輸入?yún)?shù)使得模擬結(jié)果中熔深與熔寬與實測相同。之后將校核過后的熱源加載到單一焊縫求解，在后處理中提取熱循環(huán)曲線，將其作為熱源加載到各個焊縫后得到計算結(jié)果。技術(shù)路線如圖1所示。

2有限元模型建立

本文采用Q390GJC鋼材，厚度為 50 mm，有限元模型寬度為 200 mm，高度為 400 mm，焊接形式為對接，采用CO2氣體保護(hù)焊，共10道焊縫。在建模過程中對焊接模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量直接影響到計算效率的高低以及計算結(jié)果的精確性。為了在保證精度的同時提高效率，對焊縫附近處的網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)劃分，對遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行稀疏劃分，并定義SYSWELD軟件焊接模擬所需單元組，定義母材組C1、C2，散熱面AIR，焊縫組WELD，焊接線和參考線WL、 RL，焊接起始點、結(jié)束點和起始單元SN、EN和SE，并定義邊界組UXYZ,建模結(jié)果如圖2所示。

圖1　技術(shù)路線圖

(a)　三維模型　　　　　　　　　　　　　　(b)　焊接順序

3有限元計算

3.1熱源校核

在進(jìn)行焊接有限元模擬的整體過程中，模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于熱源輸入?yún)?shù)，SYSWELD軟件熱源庫中含有雙橢球熱源、2D高斯熱源和3D高斯熱源。針對CO2氣體保護(hù)焊，常用雙橢球熱源對其進(jìn)行模擬，前后橢球熱源模型輸入函數(shù)分別為：

圖3　雙橢球熱源模型

焊接方法焊條或焊絲牌號焊條或焊絲Ф/(mm)焊劑或保護(hù)氣保護(hù)氣體流量(l/min)電流/(A)電壓/(V)焊接速度(m/min)預(yù)熱溫度/(℃)GMAWCHW?50C61．2CO245～50230～25025～2725～3020

Qf和Qr分別為2個函數(shù)輸入能量，分別取值1.2和1.0；af和ar分別為雙橢球前后半軸長度，取值3和4.5；b和c為熔寬熔深，取值3.6和4.0。通過熱源校核功能將實際焊接后的截面圖與模擬圖對比，修改輸入?yún)?shù)，使模擬圖中熔深與熔寬與實際相符。

圖4　熱源校核

3.2多層多道焊計算

首先通過熱源校核將修正過的熱源輸入?yún)?shù)加載到一道焊縫并進(jìn)行后處理，提取0～70 s熱循環(huán)曲線，作為多層多道焊焊接熱源。將提取的熱循環(huán)曲線作為輸入熱源加載到多層多道焊模型中。

圖5　熱循環(huán)曲線

4模擬結(jié)果分析

4.1溫度場分析

焊接過程是一個熱量傳導(dǎo)的過程，由于短時間內(nèi)熱量加載到構(gòu)件上，不同區(qū)域溫度場會有較大差異。進(jìn)行模擬并查看結(jié)果可以有效預(yù)測焊接時溫度場情況，焊縫溫度場云圖如圖6所示。

(a)　第1道焊縫溫度場　　　　　　　　　　　　　　(b)　第2道焊縫溫度場

(c)　第3道焊縫溫度場　　　　　　　　　　　(d)　第10道焊縫溫度場

從圖6可以看出，在焊接過程中短時間內(nèi)熱量加載的焊接構(gòu)件上，溫度隨著時間迅速升高。由于采用熱循環(huán)曲線法進(jìn)行多層多道焊模擬，即將提取的熱循環(huán)整體加載到每一條焊縫上，所以圖6中可以看出，整條焊縫的溫度是同時變化的，并不是隨熱源移動而發(fā)生不同變化。不同焊縫焊后最高溫度基本相同。在最后一道焊縫完成后整體溫度場未發(fā)生較大變化。

4.2變形分析

焊接過程是一個熱量傳遞的過程，可以看作是對熱輸入?yún)?shù)微分方程的求解問題。焊接變形的存在直接影響到構(gòu)件質(zhì)量、安裝精度以及受力性能，并影響結(jié)構(gòu)外觀。通過SYSWELD后處理觀察變形結(jié)果如圖7所示。

(a)　X方向變形　　　　　　　　　　　　　　　(b)　Y方向變形

(c)　Z方向變形　　　　　　　　　　　　　　(d)　整體變形

焊縫X方向Y方向Z方向整體變形10．3570．1700．1620．61320．5090．3130．2840．73830．7290．3820．4250．83340．9740．8090．6971．05851．6740．9850．6321．73862．8951．0990．6992．93272．9251．1610．7552．96883．3091．2060．8023．34693．6301．2320．8903．665103．7101．2550．9843．750

從圖7中可以看出，在多道焊的過程中由于焊縫收縮造成焊后構(gòu)件發(fā)生變形，在3個方向中X方向變形量最大，對整體變形影響最大，Y和Z方向變形相對較小。從各焊縫變形表得知，在焊接初期，變形量較小，隨著焊接的進(jìn)行，變形逐漸加大，第5道與第6道焊縫變形值有較大波動，到第10道焊縫焊接結(jié)束，前幾道焊縫散熱完成，焊縫處溫度下降逐漸冷卻到室溫，焊接整體變形值相比會有所下降，所以最終幾道焊縫的變形波動較小。

4.3應(yīng)力結(jié)果分析

在焊接過程中，由于熱量在短時間內(nèi)集中加載到焊縫區(qū)域,使得整體結(jié)構(gòu)在焊接過程產(chǎn)生不均勻溫度場，引起的局部塑性變形直接影響到焊接應(yīng)力和變形的產(chǎn)生。。常用分析方法有經(jīng)驗法、固有應(yīng)變法、熱彈塑性法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、考慮解析法和線彈性收縮法[8-9]。SYSWELD采用熱彈塑性法對焊接整體過程進(jìn)行計算分析，得到應(yīng)力與應(yīng)變。應(yīng)力如圖8所示。

圖8　應(yīng)力圖

通過圖8可以看出，在焊縫區(qū)域附近應(yīng)力值較大，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域應(yīng)力值較小，在應(yīng)力值較大的焊縫區(qū)域，對構(gòu)件強度、剛度、受壓桿件穩(wěn)定性、加工精度和尺寸穩(wěn)定性有較大影響。需通過更改焊接工藝以及焊后熱處理在最大程度上降低焊后殘余應(yīng)力。

5結(jié)論

(1)應(yīng)用熱循環(huán)曲線法對多層多道焊模擬，焊縫附近區(qū)域隨著焊接的進(jìn)行溫度迅速升高，且整體焊縫溫度同時變化，溫度場云圖結(jié)果在不同焊縫結(jié)束后未發(fā)生較大變化。

(2)多層多道焊在焊接開始的階段內(nèi)，焊接變形波動不大，在焊縫區(qū)域溫度升高后，受溫度場影響，焊接變形較大。在完成最后幾道焊縫焊接時，由于已完成的焊縫逐漸冷卻，會減小對焊接變形量的影響。

(3)通過有限元模擬，多層多道焊在焊縫處應(yīng)力較為集中，通過焊接模擬為實際操中降低焊接變形與殘余應(yīng)力提供了理論指導(dǎo)。

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Simulation of Local Model Multi-pass Welding Simulation Based on SYSWELD

ZHANG Xu1, QU Hai-yan2

(1.College of Civil and Architectural Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China;2.China Construction Steel Structure Co. Ltd, Beijing 100026,China)

multi-pass welding;check of heat source;thermal cycling curve method

For the welding assembly simulation of the large component using the local-global method, the accuracy of local model has a decisive effect on the whole results. The thermal cycling curve method is used to simulate the welding of multi-pass welding by SYSWELD. For simulation of multi-pass welding, thermal cycling curve method contributes to solve problems of long processing time for loading traditional heat source model, unobtainable calculation. Firstly, solid three-dimensional model was established, then the parameters were corrected by check of heat source. Thermal cycling curve was extracted as the heat source for multi-pass welding simulation, and then the temperature field, stress field and deformation results were obtained. The finite element simulation provides reliable local model results for the whole model calculation.

2095-2716(2015)04-0027-07

TG404

A