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基于ANSYS的平板对焊的残余应力分析
张洪才
摘要:本文建立了薄板焊接有限元模型,采用高斯热源并利用ansys软件对焊接过程做了模拟。计算表明,焊接后的最大的残余应力分布在焊缝处,这为实际的焊接过程控制提供了一定的指导。
关键字:焊接,ansys,模拟
1、引言 (1)
式中: 为材料比热容;为材料密度;为导热系数;T为温度场分布函数; 为内热源;为传热时间。这些参数中、、都随温度变化。
焊接温度场的计算通常用到以下两类边界条件:
1)己知边界上的热流密度分布
2)己知边界上的物体与周围介质间的热交换
2.2非线性瞬态热传导的有限元分析
由于焊接温度场的分析是典型的非线性瞬态热传导问题,而这类问题的求解特点是在空间域内用有限单元网格划分,而在时间域内则用有限差分网格划分。
瞬态传热过程是指一个系统的加热或冷却过程。在这个过程中系统的温度、热流率、热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化。根据能量守恒原理,瞬态热平衡可以表达为(以矩阵形式表示): (2)
式中:为传导矩阵,包含热系数、对流系数及辐射和形状系数;
为比热矩阵,考虑系统内能的增加;
为节点温度向量;
为温度对时间的导数;
为节点热流率向量,包括热生成;材料热性能随温度变化,如,等;边界条件随温度变化,如等;含有非线性单元;考虑辐射传热;非线性热分析的热平衡方程为:
(3)
2.2 焊接应力和变形的分析理论2.3.1 热弹塑性分析的特点和假定
2.3.2 屈服准则
屈服准则是一个可以用来与单轴测试的屈服应力相比较的应力状态的标量表示。因此,知道了应力状态和屈服准则,程序就能确定是否有塑性应变产生。在多轴应力状态下,屈服准则可以用下式来表示:
其中σ e 为等效应力,σ y 为屈服应力。
当等效应力超过材料的屈服应力时,将会发生塑性变形。Von Mises屈服准则是一个比较通用的屈服准则,尤其适用于金属材料。对于Von Mises屈服准则,其等效应力为: (5)
其中:,,为三个主应力
2.3.3 流动准则
?? 流动准则描述了发生屈服时,塑性应变的方向,也就是说,流动准则定义了单个塑性应变分量( 等)随着屈服是怎样发展的。流动准则由以下方程给出: (6)
其中:是塑性乘子(决定了塑性应变量),为塑性势,是应力的函数(决定了塑性应变方向)。
??? 一般来说,流动方程是塑性应变在垂直于屈服面的方向发展的屈服准则中推导出来的,即等于屈服函数,这种流动准则叫作关联流动准则,如果使用其它的流动准 则(从其它不同的函数推导出来),则叫作不关联的流动准则。
??? 强化准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增加是怎样发展的。一般来说,屈服面的变化是以前应变历史的函数,在ANSYS程序中,使用了三种强化准则:等向强化随动强化 混合强化 (7)
式中:为加热斑点中心最大热流密度:R为电弧有效加热半径;为A点离电弧加热斑点中心的距离。对于移动热源
(8)
这种热源模型在用有限元分析方法计算焊接温度场时应用较多。在电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况下,运用这种模型能得到较准确的计算结果。
2.5 潜热处理
焊接过程中,母材熔化时,由固态变为液态,要吸收能量,反之熔池凝固时由液态变成固态,要放出热量,所以在计算温度场时,要考虑熔池相变潜热对温度场的影响。否则计算结果会有较大偏差。对于固态相变,由于其潜热一般比固液相变潜热小很多,通常将其忽略。但在高强钢焊接时必须考虑其影响。ANSYS在考虑潜热时引入焓,其数学表达式:
(9)
3、建立模型和求解
模型尺寸为100×100×6,电弧在钢板中间沿直线运动,因此在计算时去模型的一半进行研究。其有限元模型如图1。本文采用间接法计算薄板的热应力问题,使用solid70进行热计算,使用solid45进行应力计算。为了保证计算精度在靠近焊缝10mm处采用加密网格,网格大小控制在1mm,在远离焊缝处采用较疏的网格。
为了研究焊接过程中,薄板的温度场和应力场变化的规律,本文选取了图2所示的8个考察点1到4点为焊缝中心的点;5到8点为到焊缝一定距离的点。
焊接参数如下:
电弧电压U=15V;焊接电流I=1580A;焊接速度;焊接热效率;电弧有效加热半径。焊接材料为低碳钢其材料性能如表所示
温度 20 250 500 750 1000 1500 17
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