Q690高强钢平板对接焊残余应力数值模拟及试验

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　　[摘 要]对8mm厚的Q690钢板进行平板对接焊接实验，通过盲孔法测得焊接残余应力分布。基于ANSYS软件采用生死单元技术和热-结构耦合技术模拟平板对接焊接过程，将仿真结果和实验结果对比发现，两者结果走势基本一致，数值误差在允许误差范围内，证实了该方法的可靠性。
　　[关键词]生死单元技术；热-结构间接耦合；焊接残余应力
　　中图分类号：J62 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0394-02
　　0序言
　　随着科技的发展和社会的进步，机械结构朝着大型化、轻量化发展，这对结构的材料的强度提出的更高的要求。Q690作为一种高强度钢，结构自重轻、被广泛应用于机械制造的各个领域。焊接作为现代钢结构连接的一种主要方式，其优点是构造简单、用料经济、不削弱截面，结构强度高。但金属材料在焊接过程中由于不均匀加热会在焊接构件的内部产生焊接残余应力。复杂的焊接残余应力会对结构的承载能力产生直接或间接的影响，甚至导致零件在加工时产生一定的尺寸偏差等不利变形。因此研究高强钢构件中的焊接残余应力对科学实验都有重大意义[1，2]。
　　本文基于ANSYS软件平台，采用热-结构间接耦合和生死单元技术，模拟平板对接焊接过程，获得焊后残余应力分布情况。通过盲孔法测得钢板表面残余应力，与仿真结果对比，证实了该仿真的可靠性。
　　1有限元分析模型
　　1.1模型的建立
　　Q690高强度钢对接焊试样由两块钢板焊接而成，每块钢板的尺寸150mm*300mm*8mm。为了保证焊接质量，开V型坡口。运用网格划分命令，对平板对接焊缝进行网格划分。将焊接平板分为三个部分：焊缝区，近焊缝区，远焊缝区。由于焊接热源对三个区域的作用依次减弱，三部分的网格划分密度也依次降低，如图1[3]。
　　1.2材料的热物理性能
　　本文通过JMatPro金属材料分析软件，依据Q690化学成分模拟其热物理性能。由于焊缝金属的材料属性一般和母材性能接近，故取两者材料热物理性能一致[4]。如表1所示。
　　1.2温度场方程
　　焊接温度场分析是一个典型的非线性瞬态热传导问题，其有限元三维非线性瞬态热传导问题的控制方程为[5]：
　　式中： 为材料的比热容； 为密度； 为导热系数；T为温度场分布函数；Q为内热源；t为焊接到金属冷却时间；x、y、z分别为对接焊平板中垂直于焊缝、沿焊缝方向、垂直于平板的方向。其中 、 、 都随温度变化。
　　1.3热源的选择
　　为了保证焊接质量，本次平板对接焊实验采用手工电弧焊。焊接热源选择高斯热源分布来模拟实际焊接，其中高斯热源分布函数[6，7]如下：
　　式中： 为距离圆心r处的热流密度； 为高斯热源分布参数； 为热输入率； 为距离圆心的距离；
　　2有限元分析
　　2.1焊接参数
　　根据实验情况，设定焊接参数，环境温度为25°C，焊接电压30V，电流180A，焊接速度为21cm/min，通过计算可以得：焊接每条焊道的时间为85s，2条焊道焊接加热的总时间为170s。焊后冷却时间根据实验时间为3600s。
　　2.2温度场分析
　　进行温度场分析时，本文采用三维实体热单元SOLID70通过死生单元技术模拟焊接温度场，提取平板中心节点温度随时间的变化情况并导入matlab中绘制曲线，同时将实验数据也导入matlab中，绘制曲线，将模拟的温度场变化曲线和实测温度场曲线比较。如图2所示
　　从图3中温度场模拟曲线可以看出，在焊接过程中，该点的温度多次升高，然后由于自然冷却与周围空气介质发生对流换热，导致该点温度迅速降低，最后降到室温。该点的温度曲线表现为：先上升后下降，然后再升高到极大值又回落下降直到为室温。由于实测温度随时间的变化值只获得焊后冷却的数据，故以温度场冷却时间为初始时间，绘制温度时间曲线，将两条曲线在冷却时间段相比，发现模拟温度场与实验的实际情况也比较吻合。
　　2.3焊接残余应力的测量
　　本文参考ASTME837-2001规范，进行盲孔法测量试验，其原理示意图如图3所示。由于焊接残余应力沿焊缝中心对称，故在钢板中心，距离焊缝中心一侧为0、10、20、30、40mm的距离，测量其焊接残余应力，测点示意图如下图4。
　　2.4残余应力场结果分析
　　为了分析应力应变场，通过转换单元，用8节点6面体结构单元Solid45替换热分析单元Solid70，将整个温度场有限元模型转换成应力应变场有限元模型，同时在焊接平板四角施加固定约束，模拟焊接加热和冷却过程中应力应变场的变化后，最终得到焊接平板的焊接残余应力云图，如图5所示。
　　如图5所示，焊缝周围区域残余应力基本上比较大，达到了Q690高强度钢的屈服轻度，这是由于焊接过程母材受热不均导致的。同时四个边角的也有一定的残余应力，这是由于施加的边界条件不能完全满足实际实验情况所导致的。
　　在焊接平板的焊缝一侧，提取一条与焊缝垂直线上的节点，将各点的残余应力值绘制成曲线，并将盲孔法测得的残余应力放置其上。如图6所示，从图中可以看出垂直于焊缝方向的残余应力变化很大，在焊缝中心区域，残余应力未达到最大值，在焊缝附近距离焊缝中心大约10mm处，残余应力达到最大值，接近屈服强度，然后随着离焊缝越远，残余应力慢慢降低。与实际情况相比，应力分布情况基本一致，数值相差不大。
　　在焊接平板上取一条平行且距离焊缝中心为10mm的线，取其各节点上的残余应力值绘制成曲线，如图7所示，从图中可以看出，沿焊缝方向的残余应力变化不大，在边界时焊接残余应力比较小。残余应力曲线的趋势和残余应力的分布规律基本一致。
　　3结论
　　本文基于ANSYS有限元软件平台，根据焊接加热和冷却过程及其特点，通过生死单元和热-结构耦合技术模拟焊接过程，建立起焊接温度场和应力应变场有限元模型，通过和实验结果比较，发现模拟结果和试验结果基本符合，故该方法可用于残余应力的数值预测。
　　参考文献
　　[1]孙文婷，万正权.对接焊残余应力的有限元分析[J].船舶力学2007，11（1）：94-101.
　　[2]万正权，卞如冈，骆寒冰.高强度钢结构焊接残余应力的估算方法[J]2008，23（S0）：58-62.
　　[3] 周洋.船体大型结构件焊接变形预测[D].江苏科技大学，2016.
　　[4] 邹永丰.桥钢厚板焊接残余应力数值模拟及试验研究[D]，西南交通大学， 2017.
　　[5]陈虎，巩建鸣，涂善东.典型封闭环焊缝多道焊焊接残余应力的模拟分析[J].焊接学报，2006， 27（10）： 73-76.
　　[6] 汪建华.焊接数值模拟技术及其应用[M].上海：上海交通大学出版社2003：16-20.
　　[7] 赵秋，吳冲.U肋加劲板焊接残余应力数值模拟分析[[J].工程力学，2012，29（8）：262-268.
　　作者简介
　　梅潇，（1974—），女，上海市，博士，副教授，研究方向：现代设计理论、焊接结构的疲劳与损伤。
　　熊喜龙，（1994—），男，江西抚州，硕士研究生，研究方向：焊接结构的疲劳与损伤。
　　基金项目：一种超高强钢的疲劳损伤机理及寿命预测算法研究。
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