基于ANSYS焊接变形有限元数值模拟分析

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1、基于ANSYS焊接变形有限元数值模拟分析曹勇,潘宝山（沈阳黎明发动机有限责任公司）摘要：环形薄壁焊接结构在生产实践中有着广泛的应用。在现行工艺条件下统计火焰筒衬套组件焊接变形的基本规律。并采用有限元分析软件ANSYS模拟火焰筒衬套组件焊接过程，模拟了马鞍与内环焊接过程的温度场及变形情况；模拟结果表明：径向的最大变形为0.494mm，而在其对应的180°处变形为0.756mm。通过理论计算在内环与马鞍焊接后径向最大的变形为1.25mm，与实际焊后测量结果相符合。总结模拟变形规律，为控制焊接变形的措施提供理论依据。关键词：ANSYS；数值模拟；焊接变形0引言ANSYS是大型通用有限元软件之

2、一。基于其自动网格划分功能，尤其是自适应网格划分技术，进行二次开发，对于处理氩弧焊接数值模拟具有独特的优势；它强大的非线性分析功能可以有效地模拟氩弧焊接非线性过程；后置处理器可以很方便地将计算结果进行彩色等[1]值、矢量图和梯度等多种直观显示。由于ANSYS具有以上功能及其可靠性以及可开放性等特点，应用该软件模拟焊接过程越来越受到人们的关注。单独靠改善焊接工艺来减小变形，是很难实现的。采用大型有限元分析软件ANSYS模拟火焰筒衬套组件焊接过程，模拟了马鞍与内环焊接过程的温度场及变形情况，总结变形规律，为通过焊接工装夹具控制焊接变形的措施提供理论依据及数据基础。模拟软件对不同焊接情况下的

3、焊接变形进行模拟。依据模拟结果，选取能最大减小焊接变形的工艺方法，减少工艺装备种类及数目，缩短设计周期，而且节省试验经费，提高经济效益。1材料的物理性能分析材料的物理性能直接影响到焊接过程及其相应的应力与变形的模拟精度，尤其是材料参数随着温度的变化关系对于焊接过程的数值模拟影响尤为剧烈。材料的线膨胀系数、弹性模量、屈服强度、热导率随温度的变化而变化。密度一般随着温度的变化不是十分明显，这里[2]选取20℃时，相应的焊接材料的密度作为计算过程中的密度数据。焊接材料N263高温合金33的密度为8350Kg/m，HastX高温合金的密度为8280Kg/m。泊松比随温度的变化不明显，这里选取泊

4、松比为0.3。N263高温合金和HastX高温合金的热物理参数如图1和图2所示。-51.9x10-51.8x10-51.7x10)-11.6x10-5-51.5x10-51.4x10线膨胀系数(℃-51.3x10-51.2x10-51.1x1002004006008001000温度(℃)图1N263材料的线膨胀系数随温度的变化曲线图-51.6x10-51.5x10)-1-51.4x10-51.3x10线膨胀系数(℃-51.2x1002004006008001000温度(℃)图2HastX材料的线膨胀系数随温度的变化曲线图2有限元模型的建立内环与马鞍焊接组件是薄壁件，在长度和厚度方面比例

5、相差较大。生成节点和单元的网格划分过程包括三个步骤：(1)定义单元属性；2)定义网格生成控制；3)生成网格。为保证计算精度和提高计算速度，将其划分成非均匀的网格，在焊缝处局部进行网格加密处理，内环与马鞍焊接组件网格化图见图3。有限元模型选用8节点的三维实体单元，共划分10194个节点，34503个网格单元。马鞍内环图3网格化图3焊接温度场对焊接残余变形的影响内环与马鞍焊接组件数值模拟主要研究改变氩弧焊焊接后对焊缝位移场的影响，热源是通过假设焊缝单元的内部热生成模拟施加于焊缝处。假设焊接的热源效率为0.7，室温下的-824辐射率为7X10W/mK，热载荷施加在焊缝处节点上，见图4，并在规

6、定时间内完成焊接工[3]作。室温为20℃。图4施加热载荷图通过模拟分析，可以看出，焊接过程中，焊接温度的分布比较集中，主要分布在焊接热源附近，最高温度值为1792℃，温度的实测值为1765℃可见温度场的数值模拟结果还是比较准确的。而温度场的准确模拟是进一步计算焊接应力与变形的基础。研究还发现焊缝附近存在比较大的温度梯度，而经典的焊接结构理论表明，比较大的温度梯度会使结构在焊接完成后在焊缝内部及其附近区域产生比较大的残余塑性应变，进而由于结构的协调作用而产生比[4]较大的焊接残余变形，影响结构的使用及装配。4焊接变形模拟结果分析与讨论在进行有限元计算时，材料模型选为热弹塑性，属于材料非线

7、性，材料的屈服遵循Vonmises屈服条件。焊接时，焊缝及其周围附近区域因热膨胀受到周围较低温度金属的约束，产生大量的塑变，冷却后焊缝及其附近存在的残余塑变，其大小和分布就决定最终的残余应[5]力和变形。图5所示，内环与马鞍焊接组件模拟结果，MX的最大变形为0.494mm，在其对应的180°处变形为0.756mm，通过计算在内环与马鞍焊接后径向最大的变形为1.25mm，与实际模拟结果相符合。由此可见，内环与马鞍焊接组件模拟图与实际值吻合良好。图