大型结构焊接变形数值模拟的研究进展

大型焊接结构件的生产过程中不可避免的存在着焊接变形,而焊接变形对于焊接质量的好坏至关重要。用数值模拟的方法研究焊接变形已成为一种高效、经济的方法。本文重点介绍了近年来数值模拟技术在大型焊接结构件焊接变形研究中的现状。     

低碳钢薄板单道堆焊焊接变形的数值模拟

基于ABAQUS有限元分析软件,开发了考虑移动热源、材料非线性和几何非线性的热-弹-塑性有限元计算方法.利用所开发的数值方法对薄板单道堆焊时的焊接残余应力和变形进行了模拟.同时采用试验方法测量了薄板接头的焊接变形和残余应力.通过对比数值模拟结果和试验结果,验证了所开发方法的有效性.在同时考虑几何非线性与材料非线性的情况下,有限元计算得到的焊接变形结果与实测值一致;计算得到的焊接残余应力也与实测值比较吻合.此外利用数值模拟方法详细研究了薄板焊接变形的特点和残余应力的分布特征.     

基于固有应变法的激光复合焊车体侧墙焊接变形数值模拟

基于固有应变法,采用3D高斯+双椭球热源模型预测某高速列车8 m侧墙部件在不同焊接顺序和不同约束方式下激光复合焊的焊接变形。结果表明,该侧墙部件厚度方向变形受焊接顺序影响较大,优化焊接顺序可将侧墙厚度方向的变形降低约13%。焊接约束条件对侧墙部件弧面轮廓度及弧面弦长宽度影响较明显,对整体长度变化影响不大。该侧墙部件焊接首尾两端及中间部分实施合理约束可有效控制变形,相比于无约束,厚度方向最大变形降至25%,宽度方向最大变形降低至10%。经模拟结果与试验实测对比可知,该侧墙部件在其工艺条件下的热源模型选取有效、合理,测量点数值模拟与实际试验吻合较好,绝对误差小于1 mm。     

大型底板结构焊接顺序控制变形数值分析

利用非线性有限元方法对某大型结构底板焊接顺序进行数值模拟计算,建立了疏密过渡的有限元模型.使用随温度变化的材料热-力参量,采用高效率的移动串状双椭球热源模型,定性地对比了不同焊接顺序及不同约束情况下底板挠曲变形量数值大小.结果表明,先焊底板比先焊筋板方法挠曲变形小;底板两条纵、长焊缝分别焊接比同时焊接方法挠曲变形小;使用刚性平台约束焊接比自由焊接挠曲变形小;筋板两侧横、短焊缝同时焊接不会产生扭曲变形;焊接结构的挠曲变形与结构的中性轴密切相关.     

基于数值模拟的转向架侧梁焊接顺序优化设计

针对复杂构件焊接变形难以预测的问题,以转向架侧梁结构为例,选取7种重要焊接接头,基于SYSWELD软件进行焊接接头温度场、应力场计算。运用"局部-整体"有限元法提取焊接接头局部模型,导入侧梁整体壳网格模型中,在现有生产工艺条件下设置不同的焊接顺序计算侧梁整体焊接变形。通过计算不同焊接顺序下的侧梁的变形趋势、局部焊接残余应力分布,选取变形小、应力小的最优焊接顺序。该焊接顺序优选方法充分保证了计算准确性,有效降低了仿真计算规模,提高了计算效率,对复杂焊接结构的焊接变形分析、预测和控制提供了理论依据。     

焊接薄板失稳变形预测方法

采用预测大型复杂薄板结构焊后变形的数值分析技术,对大形薄板焊接后的失稳变形进行预测。这种技术是将二维热弹塑性数值模拟与三维板结构的屈曲分析结合起来,由二维热弹塑性模拟计算出的应力场,加到三维薄板结构模型上,进行三维薄板结构的弹性屈曲分析。最后通过摄动解析解,求出焊接薄板的失稳变形量,并可从工艺和设计上探讨减少薄板结构焊后失稳变形的措施。该预测方法与郭德伦,关桥提出的方法分别对Q235钢和LF6铝合金两种材料薄板对接焊薄板失稳变形的试验结果进行了比较,结果表明预测结果与试验结果吻合良好,证明了该预测方法的有效性。     

地铁侧梁应力以及变形的数值模拟优化

构架侧梁为典型的箱形结构,由内隔板、两侧腹板以及上下盖板等焊接而成,焊缝数量多,不同的焊接顺序和约束方式产生不同的焊接变形和应力分布。因此,通过数值模拟技术进行模拟,寻找焊接残余应力和焊接变形均较小的焊接方案。利用Sysweld软件,对不同约束和顺序下的侧梁进行数值模拟,观察最优方案下的应力分布状况和不同阶段的变形状况,为侧梁实际焊接生产提供指导。     

高速动力车构架侧梁焊接变形数值模拟

采用数值模拟的方法研究了热输入量对侧梁焊接变形量的影响,得到了热输入量影响焊接变形的规律,为实际生产过程中控制高速动力车转向架构架的焊接质量提供了数值依据。     

焊接顺序对大型薄板装甲钢结构焊接变形的影响

基于有限元软件SYSWELD建立了大型薄板装甲钢结构的焊接有限元模型,采用Local-Global方法研究了焊接顺序对薄板结构焊接变形的影响. 通过对比焊缝截面宏观形貌,利用SYSWELD热源拟合工具,建立了适合现场焊接工艺的双椭球热源模型. 采用热弹塑性有限元法分析了T形和对接接头的焊接过程,获得了局部塑性应变和焊缝刚度,进而模拟了不同焊接顺序下薄板结构变形情况. 结果表明,现场焊接顺序下结构中部薄板焊接变形严重,最大变形量为9.6 mm,模拟结果与试验结果吻合较好;采用优化的焊接顺序,可有效控制薄板焊接变形,最大变形量可减小75%.     

高速列车铝合金车身双热源搅拌摩擦焊仿真

高速列车采用超长铝合金型材作为车身新材料。搅拌摩擦焊以固相连接原理成为高铁车身制造新工艺。针对单热源模型不足,考虑搅拌轴肩转动摩擦生热和搅拌头塑变剪切生热,建立搅拌摩擦焊双热源有限元模型。基于传统熔焊方式,实现满足搅拌焊特征的双面挤压型材接头变形设计。通过ANSYS二次开发,完成该工艺移动瞬态热交换数值仿真,获得焊接全程三维温度场分布,仿真结果与试验数据吻合良好。结果表明,该仿真模型可行．仿真结果合理,为高铁车身国产化制造工艺吸收和工艺优化提供参考。     

沟槽蒙皮结构激光焊接应力和变形的数值模拟

利用有限元分析软件MARC对"沟槽-蒙皮"结构的激光焊接过程进行三维数值模拟,涉及了激光焊接复合热源模型的确定,热力学边界条件的简化,数值模拟温度场的验证,以及残余变形和应力分布结果的分析和讨论.研究了结构上规则排列的多道焊缝的施焊顺序对焊接残余应力和变形的影响.结果表明,不同焊接顺序所产生的变形态相同,变形量有区别,而残余应力的分布则不同,以由外向中的对称顺序进行焊接时,结构的焊后残余变形最小,残余应力的分布比较均匀,峰值最小.     

减少热输入控制叶盘焊接变形的数值模拟

采用数值模拟的方法分析叶盘的焊接变形具有重要意义.为预测叶盘的焊接变形,在Marc中建立了发动机叶片电子束焊接有限元分析模型,对航空发动机叶盘电子束焊接过程进行了三维数值模拟,根据功率和熔深之间的关系,用功率随深度变化的方法减少热输入,控制航空发动机叶盘焊接变形.结明表明,在满足焊透,保证焊接质量的情况下,采用功率随深度变化的方法减少热输入可以有效控制航空发动机叶盘的焊接变形,对精密控制航空发动机叶盘的焊接变形提供了理论依据和数值上的参考.     

焊接应力应变与变形的数值研究进展

综述了焊接应力应变与变形的数值模拟的新进展,介绍了焊接应力应变的形成机理和数值分析的理论发展,并讨论了建立模型的一些重要的要求和模拟分析的关键技术。     

天然气管道在役焊接径向变形数值模拟

采用焊接模拟软件SYSWELD研究了压力及修复时间对天然气管道在役焊接径向变形的影响,并进行了试验验证.结果表明,在0~4 MPa压力范围内,径向变形量随压力的增大而增大,在4~6 MPa压力范围内,径向变形随着压力的增大而减小,并在6 MPa压力时近似等于常压焊接的变形量;随着焊接修复时间的增加,径向变形量逐渐增大,具有时间效应;预测焊接烧穿时,瞬时径向最大变形法优于内部点径向变形法.     

基于SYSWELD的地铁构架焊接变形数值模拟

通过SYSWELD焊接仿真软件的局部-全局法模拟计算了某地铁构架组焊时产生的焊接变形量,根据计算结果优化了焊接工艺,对构架设计提供数据支持。数值仿真计算结果与构架试制结果进行了验证对比,两者趋势吻合度高。通过这种方法可缩短产品试制周期,减少成本。     

Numerical simulation of stress and deformation of in-service welding onto gas pipeline

SYSWELD was used to simulate in-service welding process of gas pipeline of X70 pipeline steel. Welding thermal cycle, stress and deformation of in-service welded joint were studied. The results show that peak temperature of coarse grain heat-affected zone （CGHAZ） of in-service welding onto gas pipeline is the same with routine welding, but ts/5, ts/3 and ts/1 decrease at certain degree. For the zone near welded seam, axial stress and hoop stress in the inner pipe wall are compressive stress when welding source passes through the cross-section that is studied, but residual axial stress and residual hoop stress after welded are all tensile stress. Transient deformation and residual deformation are all convex deformation compared with the original pipe diameter size. Deformation achieves maximum when welding thermal source passes through the cross-section that is studied and then decreases during the cooling process after welding.     

焊接过程三维应力变形数值模拟研究进展

焊接非平衡加热、冷却过程导致产生焊接应力与变形,严重影响焊接过程及结构的服役行为,是焊接结构生产制造过程中必须解决的关键技术问题之一。作者对目前国内外焊接过程中焊接应力与变形的数值模拟研究及工程应用进行了分析。结合研究小组的研究工作,对大型复杂结构焊接过程中三维焊接应力变形数值模拟存在的困难、需要解决的主要技术问题进行了评述,并介绍了几个工程应用实例。     

电渣焊接头焊接残余应力与变形的数值模拟

为研究电渣焊接头焊接残余应力的分布规律及变形特征,基于有限元分析软件MSC. Marc,开发了用于模拟电渣焊接头温度场、残余应力与焊接变形的热-弹-塑性有限元计算方法. 在所开发的计算方法中,采用全椭球等密度体积移动热源模型来模拟电渣焊的热输入,并以生死单元技术考虑焊缝成形,数值模拟了箱型柱中的腹板与隔板处电渣焊接头的焊接残余应力与变形. 同时,采用试验方法实测了电渣焊接头的横向收缩及角变形. 结果表明,横向收缩和角变形的计算结果都与试验值比较吻合,验证了所开发的数值计算方法的妥当性. 此外,利用数值模拟方法详细研究了电渣焊接头焊接残余应力的分布特征.