橢球殼液壓脹形過程焊縫建模方式的研究

張偉瑋，滕步剛,2

(1 哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院,哈爾濱 150001; 2 哈爾濱工業(yè)大學 金屬精密熱加工國家重點實驗室,哈爾濱 150001)

橢球殼液壓脹形過程焊縫建模方式的研究

張偉瑋1，滕步剛1,2

(1 哈爾濱工業(yè)大學 材料科學與工程學院,哈爾濱 150001; 2 哈爾濱工業(yè)大學 金屬精密熱加工國家重點實驗室,哈爾濱 150001)

為了研究焊縫區(qū)域有限元建模方式對橢球殼脹形過程軸長變化規(guī)律的影響，提出3種焊縫建模方式：即完整焊縫模型，粗略焊縫模型與無焊縫模型。首先進行初始軸長比為1.8的橢球殼的液壓脹形實驗研究，得到軸長隨內壓力的變化規(guī)律。其次進行了3種建模方式的橢球殼脹形過程的數(shù)值模擬，對比數(shù)值模擬和實驗過程軸長變化規(guī)律，分析建模方式對模擬精度的影響。結果表明：在變形初期，3種建模方式的模擬精度相近，尺寸偏差均小于4%；但是在變形中后期，無焊縫模型的模擬精度較差，最大尺寸偏差達15%；粗略焊縫模型和完整焊縫模型都能較好地預測軸長的變化規(guī)律，且尺寸偏差不超過5%。綜上所述，粗略焊縫模型既能簡化建模方式，又能較好地預測橢球殼脹形過程軸長的變化規(guī)律。

焊縫模型；橢球殼；液壓脹形

橢球形容器具有重心低，容積大，受風面積小和外觀優(yōu)美等特點，適合于作為大型水塔、石油化工容器、容器封頭等結構。由于橢球殼體的曲率半徑從極點到赤道逐漸變化，采用模壓成形工藝，一種直徑的橢球殼需要多套模具，這是限制橢球殼體廣泛應用的主要原因。為了解決傳統(tǒng)模壓成形工藝存在的問題，提出了采用無模液壓成形方法制造薄壁橢球殼[1,2]。其基本過程：先由鋼板裁出若干側瓣和二塊極板，側瓣經(jīng)過輥彎成為單曲率殼板，然后把這些單曲率殼板組裝焊接成封閉多面殼體，向封閉多面殼體內充滿水介質后，再通過一個加壓系統(tǒng)向封閉多面殼體內施加內壓，在內壓作用下，殼體產(chǎn)生塑性變形而逐漸趨向于設計要求的橢球殼體。橢球無模液壓成形技術主要優(yōu)點：不需要模具和壓力機，可降低成本；因為不需要模具，生產(chǎn)周期縮短，產(chǎn)品變更容易；經(jīng)過超載脹形和整形，降低了焊接殘余應力，提高了尺寸精度。

本文提出橢球殼脹形過程的3種建模方式，通過數(shù)值模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行對比，分析了不同建模方式對數(shù)值模擬精度的影響，并給出了合理的焊縫區(qū)域有限元建模方式。

1 材料及有限元建模方式

1.1 橢球殼結構與材料

圖1所示為理想受內壓旋轉橢球殼結構，其中a為橢球殼的長軸，b為橢球殼的短軸，軸長比λ=a/b。圖2所示為脹形前橢球殼結構，殼體由12片側瓣與2個極板通過TIG焊接工藝焊接為一個整體，其初始外接橢球殼的長軸尺寸為225mm，短軸尺寸為125mm，初始軸長比為1.8。兩極板間初始距離為240mm，極板直徑為126mm。圖中A和B為測量點位置，其中A點為赤道面上焊縫點、B點為極點。

圖1 理想受內壓橢球殼結構Fig.1 Ideal ellipsoidal shell subjected to internal pressure

橢球殼的材料為不銹鋼304，初始壁厚為0.9mm。從宏觀力學差異看，TIG焊接工藝的不銹鋼焊接接頭可以分為3個區(qū)域：即焊縫熔化區(qū)，焊縫熱影響區(qū)和母材。焊縫熔化區(qū)和熱影響區(qū)的有效寬度根據(jù)垂直于焊縫方向的維氏硬度測試結果確定。其中熔化區(qū)和熱影響區(qū)的寬度均約為3mm。參照國標GB/T228-2002標準制備熔化區(qū)，熱影響區(qū)和母材的拉伸試樣。拉伸后母材與焊接接頭的真實應力-應變曲線如圖3所示。

圖2 脹形前橢球殼結構 (a)正視圖；(b)俯視圖Fig.2 Pre-form shell structure (a)front view;(b)up view

圖3 母材與焊接接頭真實應力-應變關系Fig.3 True stress-strain curves of sheet materials and weld seam

1.2 有限元模型

設計3種有限元建模方式：一是無焊縫模型，二是粗略焊縫模型，三是完整焊縫模型。圖4(a)所示為完整焊縫模型，建模過程包含母材，熱影響區(qū)和熔化區(qū)。圖4(b)所示為粗略焊縫模型，建模過程只考慮了母材和熔化區(qū)，忽略了熱影響區(qū)。圖4(c)所示無焊縫模型，建模過程只考慮母材，忽略了熱影響區(qū)和焊縫。

圖4 有限元建模方式(a)完整焊縫模型；(b)粗略焊縫模型；(c)無焊縫模型Fig.4 Weld seam model (a)comprehensive model; (b)rough model;(c)no weld seam model

采用通用有限元分析軟件ABAQUS對橢球殼變形過程進行分析，考慮到橢球殼的幾何對稱性，取八分之一橢球殼。有限元分析中不考慮側瓣的裝配焊接過程以及焊接后的殘余應力和變形，只考慮室溫下殼體、焊縫及熱影響區(qū)的塑性變形。建模過程，根據(jù)單向拉伸實驗結果，單獨賦予殼體，焊縫和熱影響區(qū)的材料屬性和截面屬性。材料屬性均為符合Mises屈服準則的各向同性的材料的模型，網(wǎng)格類型均為四邊形線性縮減積分殼單元S4R。內壓力施加于殼體內表面，并隨時間線性增加。

2 橢球殼無模液壓成形實驗研究

圖5所示為軸長比為1.8的橢球殼脹形前多面體預制坯的制造過程，首先先由鋼板裁出12個側瓣和兩塊極板，側瓣經(jīng)過輥彎成為單曲率殼板，然后把這些單曲率殼板通過點焊的組成封閉多面殼體，最后通過TIG焊工藝完成整個封閉多面殼體結構的焊接。

圖5 橢球殼脹形前結構制造過程 (a)下料；(b)輥彎；(c),(d)裝配+點焊；(e)焊接Fig.5 Manufacture process of pre-form shell (a)blanking; (b)roll-bending;(c),(d)assembled by spot welding;(e)welding

實驗過程以水為變形介質，并通過加壓系統(tǒng)向封閉多面殼體內施加內壓。實驗過程嚴格記錄不同壓力下，長軸和短軸的變化規(guī)律。圖6所示為實驗過程不同成形壓力時，橢球殼的形狀。從圖6可以看出，隨著內壓力的升高，橢球殼結構逐漸趨向球殼結構。

圖6 不同壓力下橢球殼形狀(a)2.2MPa；(b)3.8MPa;(c)6.8MPaFig.6 Variation of shell shape with the increasing of internal pressure (a)2.2MPa；(b)3.8MPa;(c)6.8MPa

圖7所示為實驗過程截面形狀的變化。當橢球殼內表面施加內壓力時，變形首先發(fā)生在極板處，短軸開始伸長；當內壓力達到1.0MPa時，赤道帶焊縫處出現(xiàn)皺褶；當壓力達到2.2MPa時，起皺最嚴重；當壓力達到3.8MPa時，皺褶消失，赤道面形狀恢復到與初始狀態(tài)相似的正十二邊形，長軸有一定的收縮。隨著內壓力的持續(xù)增加，短軸繼續(xù)伸長，長軸繼續(xù)收縮，組成橢球殼的12個側瓣在壓力作用下逐漸圓弧化。當壓力達到5.5MPa時，長軸從持續(xù)收縮狀態(tài)轉為伸長狀態(tài)，短軸仍舊持續(xù)伸長。最終壓力為6.8MPa，得到軸長比為1.06的橢球殼，接近于球形。此時短軸為205.8mm，長軸為218.5mm，相應的軸長變化率分布為64.6%和-2.9%。

圖7 不同壓力下橢球殼截面變化(a)縱向截面；(b)赤道面Fig.7 Section variation of the ellipsoidal shell with the increasing of internal pressure (a)vertical section;(b)equatorial plane

3 數(shù)值模擬精度分析

圖8所示為不同建模方式對短軸變化的影響。從短軸的變化規(guī)律可以看出，在變形的前期(p≤2.5MPa)，3種建模方式得到數(shù)值模擬結果與實驗結果吻合較好。在變形中期(2.5MPa

圖9所示為不同建模方式對短軸模擬精度的影響。尺寸偏差定義為：(Le-Ls)/Le，其中Le和Ls分別表示實驗過程軸長和數(shù)值模擬過程軸長。在變形的前期，3種建模方式的數(shù)值模擬精度相近，其尺寸偏差在4%以內。在變形的中期和后期，完整焊縫模型和粗略焊縫模型仍舊保持較高的模擬精度，其尺寸偏差最大也不超過5%。但是無焊縫模型在變形中后期模擬精度較低，尺寸偏差較大。當模擬結束時，其尺寸偏差已經(jīng)達到15%。顯然在變形的中后期，無焊縫模型不能準確預測短軸變化規(guī)律。

圖8 不同建模方式的短軸變化情況Fig.8 Variation of short axis for different weld seam models

圖9 建模方式對短軸模擬精度的影響Fig.9 Effect of weld seam models on simulation accuracy of short axis

圖10為不同建模方式對長軸變化的影響。從長軸的變化規(guī)律可以看出，在變形的前期和中期(p≤5.0MPa)，3種建模方式得到數(shù)值模擬結果相差較小，且與實驗結果吻合較好。在變形后期(5.0MPa

圖10 不同建模方式時長軸變化情況Fig.10 Variation of long axis for different weld seam models

圖11所示為不同建模方式對長軸模擬精度的影響。其中完整焊縫模型和粗略焊縫模型在整個過程均保持較高的模擬精度，其尺寸偏差最大也不超過1%。無焊縫模型在變形后期，模擬精度逐漸降低，尺寸偏差逐漸增大。當模擬結束時，其尺寸偏差已經(jīng)達到4%。雖然在可接受范圍內，但是無焊縫模型無法準確對長軸變化趨勢以及拐點位置進行預測。

圖11 建模方式對長軸模擬精度的影響Fig.11 Effect of weld seam models on simulation accuracy of long axis

由于焊縫和熱影響區(qū)材料在性能上同母材有一定的差異，所以會導致變形有先后。同時，焊縫和熱影響區(qū)作為一種更“硬”的材料，對母材的變形也是起到一定的約束作用。這也是在變形中后期，無焊縫模型精度預測較差的原因。但是從模擬精度上看，完整焊縫模型與粗略焊縫模型相差很小。所以為了簡化建模方式，建立粗略焊縫模型即可滿足需求。

4 結論

(1)完整焊縫模型與粗略焊縫模型均可以很好地預測變形過程軸長的變化規(guī)律，最大尺寸偏差不超過5%。

(2)無焊縫模型在變形前期可以較好地預測橢軸長變化規(guī)律；但是在變形的中后期，對軸長的變化規(guī)律預測不準確，最大尺寸偏差達15%。

(3)粗略焊縫模型既能保證模擬精度，又可以簡化建模方式。

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(本文責編：楊 雪)

Research on Weld Seam Models for Hydro-forming of Ellipsoidal Shell

ZHANG Wei-wei1，TENG Bu-gang1,2

(1 School of Materials Science and Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;2 National Key Laboratory of Precision Hot Processing of Metals,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

In order to study the effect of weld seam models on hydro-forming of ellipsoidal shell, three kinds of models,i.e., comprehensive model rough model and no weld seam model were built and the influence was discussed on variation of axis length. An experiment for hydro-forming of ellipsoidal shell with initial axis length ratio 1.8 was first carried out, and the axis length varying with the increasing of internal pressure was obtained. Simulation on three kinds of finite element model was conducted, and the effect of weld seam models on the simulation accuracy was deeply discussed by a comparison of axis length variation between simulation and experiment. It is shown that little difference happens among the three kinds of weld seam models at the early stage of deformation, and the axis length deviation is less than 4%. However, there is worse simulation accuracy for the no weld seam model at the middle and late stage of deformation, and the axis length deviation is up to 15%. While both the comprehensive model and the rough model can successfully predict the axis length variation with the deviation no more than 5%. Finally, the rough model is selected on the basis of better simulation accuracy and simple weld seam model.

weld seam model；ellipsoidal shell；hydro-forming

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.000098

TG409

A

1001-4381(2017)03-0060-06

長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃資助(IRT1229)

2015-01-20;

2015-07-20

滕步剛(1969-)，男，教授，博士生導師，主要從事塑性成形理論與塑性加工工藝研究, 聯(lián)系地址：黑龍江省哈爾濱市西大直街92號哈爾濱工業(yè)大學材料樓420室(150090),E-mail：bgteng@hit.edu.cn