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1、Weldi ng Techn ology Vol.37No. 6Dec . 2008T形接头焊接温度场的三维数值模拟熊震宇1,董洁2(南昌航空大学 材料科学与工程学院,江西南昌330063摘要：利用有限元分析软件ANSYS，对T形接头焊接的温度场的分布进行了动 态模拟，提出高斯函数和双椭球函数相结合的双热源模型。并应用APDL语言实现了焊接全过程温度场的三维动态模拟，其结果与理论值完全吻合，证明了数值模拟的可靠性。关键词:T形接头；焊接；数值模拟；APDL ;温度场中图分类号：TG445文献标识码：B文章编号:1002-025X (200806-0021-03焊接热过程数值模拟是焊接数值模拟的
2、一个主要方面，它把焊接学科与计算机技术结合在一起，为定量地研究焊接冶金起到积极的推动作用 1。ANSYS软件 是以有限元分析为基础的大型通用 CAE软件，其强大的热结构耦合及瞬态、非线 性分析能力使其在焊 接模拟技术中具有广阔的应用前景2 o本文研究利用ANSYS软件的参数化程序语言APDL编制了焊接过 程三维瞬态温度场模拟分析程序，并以T形接头埋弧焊为例给出了具体分 析过程，计算结果与理论结果比较吻合。1有限元模型的建立本文所选用的模型为：腹板尺寸60mm X16mmx 100mm ,翼板尺寸100mm 20mmX100mm ,材料为Q345。T形接头模型如图1所示。为了描述T形接头三维焊接
3、温度场的分布,热分析单元中选取单元SOLID87, 在加热圆弧面上生成 无中间节点的三维4节点弧形的表面效应单元 SURF152。如图2所示,在焊缝区域及近缝区采用细 网格,而远离焊缝区采用较粗 的网格。热源沿着T形接头z轴的方向匀速移动。1.1热源模型焊接热源具有局部集中、瞬时和快速移动的特 点，在时间和空间域内都易形 成梯度很大的不均匀温 度场是进行焊接力学分析的基础，而焊接温度场模型 的精 确性依赖于热源模型的精度，因而建立一个合适的焊接热源模型是焊接模拟过程中 的重要部分。基于T形接头的埋弧焊工艺，采用高斯分布的热源函数作为表面热 源，焊件熔池部分采用双椭球形热源分布函数作为内热源。(
4、1高斯函数分布的热源q (r =q m exp -3r 222, (1 m图1T形接头模型 图2T形接头有限元网格划分xyz试验与研究21焊接技术 第37卷第6期2008年12月有效加热半径；r为离电弧加热斑点中心的距离(2双椭球形热源用椭球形热源分布函数计算时发现在椭球前半部分温度梯度不像实际中那样陡变，而椭球的后半部分温度梯度分布较缓。为克服这个缺点，提出了双椭球形 热源模型，这种模型将前半部分作为一个1/4椭球,后半部分作为另一个1/4 椭球。设前半部分椭球 能量分数为f 1,后半部分椭球能量分数为f 2,且f 1 +f 2=2,则在前半部分椭球内热源分布为：q (r =6f 1Q ex
5、p -3x 22+y 22+z 22222,(2在后半部分椭球内热源分布为q (r = n 3/2abc exp -3x 22+y 22+z 22222,(3此二式中的a , b , c可取不同的值,它们相互独 立。在焊接不同材质时可将双 椭球分成4个1/8的椭球瓣，每个可对应不同的a , b , c值。1.2定义材料属性由于温度场的计算属于非线性瞬态传热问题，需给定Q345材料的热物理性能参数,见表131.3模型假设4, 5(1材料为各向同性；(2忽略金属的填充熔敷作用；(3工件的所有外边界仅与空气发生对流换热，将辐射换热的影响考虑到对流换热中；(4忽略熔池内部的化学反应和搅拌、对流等现象。
6、1.4生死”单元技术在T形板焊接过程中，焊接材料不断填充而形成焊缝，这一过程可以通过ANSYS中“生死”单元技术生动体现。首先将 焊缝部分的有限元单元设置为死”状态，即这部分单元的刚度矩阵乘以一个微小；,部分的单元激活”即可。值得注意的是,在ANSYS中所有的单元只能在/prep7中完成，因此，焊缝部分的单元也需要在/prep7中生成，而不能在运用“生死”单元技术的时 候凭空产生。1.5焊接热源的处理与施加由于加热电弧是移动的，对于移动的实现，利用ANSYS的APDL语言编写子程序，采用离散的思想,进行多步循环来实现 具体思路如下：沿焊接方向 将焊缝长度L等分为N段，将各段的后点作为热源 中
7、心，在以电弧中心为圆心，半径小于电弧有效加热 半径的区域内加载热源，每段加 载后进行计算，计算时间为L/V,每一段的计算为一载荷步。当进行下一段加载 (即下一载荷步计算 时，需消除上一段所加 的高斯热流密度，而且上一次加载计算得到的各点温度值作为下一段加载的初始条件。如此依次在各点加 载即可模拟热 源的移动，实现移动焊接瞬态温度场的计算。2焊接温度场的数值模拟结果及分析利用ANSYS软件强大的热分析功能,按上述的有限元模型进行了 T形接头焊接温度场的三维动态数值模拟。在模拟计算时，采用的焊接工艺及相关计 算参数见表2。随着焊接热源的向前移动，熔池随之移动，温度场的分布也发生变化，当热源 移动到
8、T形接头中间部分，电弧作用区域附近的温度场分布基本稳定， 与准稳态分布相近。如图3b所示，温度云图上的等温线形状呈现为以焊接 方向为长轴的1/4近似椭圆，焊接热源前方等温线密集，温度梯度大， 后方等温线稀疏，温度梯度小。T形板动态温度场模拟过程如图3所示，T形板 冷却过程温 度场分布如图4所示。图5中，从T形接头腹板某截面处取4个点，它们的位置分别是1.距焊缝中心；2.距焊缝中心4mm ; 3.距焊缝中心8mm ; 4.距焊缝中心。温度/c弹性模量/GPac s /MPa切变模量/GPa密度/(kg m-3 线胀系数 X0-6/K泊松比卩热导率/W (m K -1比热容/J (kg k-120
9、21233021.2786014.80.293498350017521317.5786014.80.293498380013915313.9786014.80.293498312001077310.7786014.80.2934983150083138.3786014.80.293498320006125.9786014.80.2934983表1Q345材料的热物理性能表2焊接工艺及相关计算参数电弧电压U N焊接电流I /A焊接速度V /(mm s-1焊接热效率n电弧有效加热半径R /mm3650070.86试验与研究22Weldi ng Techno logy Vol.37No. 6Dec
10、. 2008从热循环曲线分布图6可以看出，在焊缝中心 处，当焊接热源移动到该截面时 焊缝中心的温度急 剧上升，而由于热传导的缘故，距离焊缝中心越远 处，温度逐步 降低。冷却时，各点温度逐渐趋于某一值，即降到焊件的平均温度为止。3结论(1在T形接头焊接过程有限元分析过程中，注意采用合理的网格大小，从而合理控制有限元计算量和 结果的精度。(2针对T形接头埋弧焊工艺,利用ANSYS平台进行有限元分析时提出以高斯 分布的热源函数作为表面热源，焊件熔池部分采用双椭球形热源作为内热源的双热源相结合的方 式，采用 生死”单元方法得出的计算结果与理论结果最为接近。参考文献：1李冬林基于ANSYS软件焊接温度场
11、应力场模拟研究J .湖北工业大学学报,2005, 20(5:81-84.2刘兴龙，曲仕尧.基于ANSYS的焊接过程有限元模拟J .电焊机,2007, 35(7:41-44. 3严浩.钢结构厚板焊接残余应力实验研究与有限元分析 D .湖北武汉：武汉理工大学，2006, 11.4韩海玲，董晓强.丁字接头的温度场和应力场的有限元模拟J .沈阳工业大学学报，2004, 26(5:511-513.陈翠欣，李午申，王庆鹏，等.焊接温度场的三维动态有限元模拟J . , , 51(5:(a t =0.667s 温度场分布(c t =16s温度场分布(b t =6.67s温度场分布 图3T形板动态温度场模拟过程图4T形板冷却过程温度场分布(a t=20s温度场分布(b t =36s温度场分布(c t =100s温度场分布yzxy z图5距焊缝中心测点位置示意图xy z试验与研究图62000180016001400120010008006004002000温度1234TIME10203040506070809023