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8-12 铍环焊接热弹塑性分析的轴对称和三维模型对比董 平 陈裕泽 邹觉生对铍环连续移动焊接过程的温度场和应力场的数值模拟,应该采用三维模型进行分析。对于复杂结构的焊接构件,三维模型的单元节点、单元数和自由度数都急剧增加,即使是大型计算机也需要耗费大量的机时,甚至导致计算过程难以进行。考虑到铍环是轴对称构件,而且焊接热源在焊缝表面快速移动,因此可将铍环焊接过程的数值模拟简化为轴对称模型进行研究。轴对称模型意味着对焊缝一周同时加热焊接,无法考虑焊接热源沿着焊缝的动态移动过程,从而导致轴对称模型与三维模型的分析结果必然存在一定差异,研究这种差异有助于认识两种模型各自的适用范围。 对一个f 30mm的铍环焊接过程的温度场和应力场进行有限元分析,两种模型都采用热—力解耦的有限元分析方法,不考虑焊接熔池内的流体流动,但尽可能使材料在高温下的热物理性能和力学性能与流体接近,采用单元生死技术模拟焊接熔化区发生的力学变化。假设焊接热源在焊缝表面为Gauss分布,尽可能保持两种模型的边界条件、初始条件和材料性能参数完全相同,焊接温度场分析采用变步长加载方法,焊接应力场分析从后处理文件中读取温度场分析结果,并根据最大温度变化采用自适应加载方法。
图1是两种模型分析得到的焊接瞬间铍环外表面温度沿轴向的分布,图中横坐标为15mm处表示焊缝位置,三维模型结果取自j=p/2处,可见两种模型计算得到的温度分布规律和最高温度基本一致,但在离焊缝较远部位,三维模型计算得到的温度比轴对称模型稍高,这是由于三维模型能够考虑沿焊接方向热传导的缘故。图2是两种模型分析得到的铍环外表面等效应力沿轴向的分布,图中离焊缝0.2mm以内区域的残余应力较低,是由于焊接过程采用铝硅合金作为钎料,其屈服强度比铍基体低所致,可见两种模型分析得到的铍环外表面的焊接残余应力分布规律基本一致,但残余应力值存在一定差异,轴对称模型分析结果基本能反映移动焊接准稳态时的残余应力分布。因此,可采用轴对称模型进行三维移动焊接过程的数值模拟,其结果与三维模型焊接准稳态时的分析结果基本吻合。 |