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基于Ansys的鋼箱梁焊接有限元模擬 已有1人參與
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鋼箱梁是我國(guó)當(dāng)今橋梁建設(shè)中的主要梁結(jié)構(gòu)，在建與已建橋梁中有很大部分橋梁的上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁。而鋼箱梁一般是由工廠預(yù)制加工的，加工過(guò)程中必然會(huì)有鋼板間的接縫需要進(jìn)行焊接，使兩塊獨(dú)立的鋼板焊接成一個(gè)整體。在鋼箱梁的鋼板焊縫焊接過(guò)程中，移動(dòng)的焊頭會(huì)在瞬間產(chǎn)生高度集中的熱量輸入，熱量的快速集中輸入會(huì)導(dǎo)致鋼板溫度的驟升與驟降。鋼屬于一種溫度敏感型的材料，受熱升溫時(shí)其體積會(huì)膨脹，降溫時(shí)體積會(huì)收縮，體積的變化會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布的變化，鋼箱梁結(jié)構(gòu)的安全性也可能受到影響。所以若想了解鋼箱梁焊接時(shí)的應(yīng)力分布變化，保證鋼箱梁結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，有必要對(duì)焊接溫度場(chǎng)的定量分析、預(yù)測(cè)、模擬。傳統(tǒng)的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力預(yù)測(cè)依賴于試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)曲線或經(jīng)驗(yàn)公式，但是在航天、機(jī)械、土木等行業(yè)，焊接試驗(yàn)的成本巨大，當(dāng)試驗(yàn)的工況較多或者試驗(yàn)失敗時(shí)，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的巨大損失。故本章運(yùn)用大型商業(yè)有限元軟件ansys經(jīng)典界面進(jìn)行數(shù)值模擬，在研究過(guò)程中利用了ansys內(nèi)置的腳本語(yǔ)言apdl進(jìn)行建模，分析鋼板焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)。 1 鋼板幾何模型建立 為了簡(jiǎn)化鋼箱梁的形狀，節(jié)約數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的成本，本章將鋼箱梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)為0.2m、寬為0.15m、厚度為0.03m的塊狀幾何模型，ansys中的幾何模型效果如下圖所示。 在上圖的模型中，筆者標(biāo)明了坐標(biāo)系系統(tǒng)，在本章此后的位置信息的描述中，均采用此坐標(biāo)系系統(tǒng)。 2 移動(dòng)焊接熱源的施加 在鋼板焊接過(guò)程中，焊點(diǎn)熱源作用在鋼板上有一定面積，在該面積上的熱量分布不是均勻的，中心點(diǎn)附近的熱量較高，周圍的熱量較低。對(duì)于該種焊接熱源的不均勻分布，現(xiàn)今很多學(xué)者將該熱源的分布形式簡(jiǎn)化為高斯積分函數(shù)，本章參考前人的研究，采用高斯熱源分布函數(shù)。 熱源函數(shù)的三維函數(shù)圖像如下圖所示（假設(shè)qm=1 j·s /m2，r=1m）。 移動(dòng)焊接熱源在鋼板模型的上表面的中線位置施加，起始點(diǎn)的位置坐標(biāo)為（0，0，0.03m）,并沿著y方向勻速移動(dòng)至最終點(diǎn)（0，0.2m，0.03m）具體的施加位置、移動(dòng)方向與移動(dòng)軌跡如上圖所示。如圖所示，焊接中心點(diǎn)（0，0）位置處的熱流密度最大，周圍的熱流密度隨著與中心點(diǎn)的距離增大而減小。 據(jù)以上內(nèi)容可知，在ansys中施加焊接移動(dòng)熱源需要明確的熱源參數(shù)包括焊接電壓u、焊接電流i、焊接熱效率與電弧有效加熱半徑r。具體參數(shù)如表1所示。 表1 各溫度下材料熱屬性參數(shù) 焊接電流a 500 電弧電壓v 30 熱效率 0.7 焊接速度m/s 0.01 電弧有效加熱半徑m 0.007 此外，在其他不試件移動(dòng)熱源的鋼板表面，假設(shè)其與20℃的空氣接觸，此外，鋼板的初試溫度也設(shè)為20℃。 3 鋼板材料的熱屬性參數(shù)設(shè)定 鋼的熱材料屬性對(duì)溫度較為敏感，在不同的溫度下會(huì)呈現(xiàn)出不同的性質(zhì)，在焊接過(guò)程中，鋼板的溫度變化較大，所以本文基于前人的研究成果及相關(guān)的規(guī)范確定了鋼材在不同溫度下的熱材料屬性[1]。因參考資料的有限，本章中材料屬性的最大溫度設(shè)置到4000℃，當(dāng)材料的溫度大于4000℃時(shí)，ansys會(huì)自動(dòng)根據(jù)4000℃以下的材料屬性進(jìn)行插值外推。 4 有限元網(wǎng)格的劃分 本章中，單元類型設(shè)定為solid 70號(hào)單元。為了獲得更加精確的結(jié)果，筆者將移動(dòng)熱源路徑附近區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，其網(wǎng)格尺寸為0.025m，將距離熱源軌跡較遠(yuǎn)的位置的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.05m，不同區(qū)域的網(wǎng)格均勻過(guò)度，具體劃分效果如下圖所示。 本章設(shè)定的焊接移動(dòng)熱源的移動(dòng)速度為0.01m/s,鋼板的長(zhǎng)度為0.2m,所以熱源在鋼板上移動(dòng)的時(shí)間為20s,筆者將求解時(shí)間設(shè)定為20s，求解的子步共設(shè)為50步，所以每一個(gè)子步的時(shí)長(zhǎng)為0.4s。 5 單一速度下結(jié)果分析 分別提取0.4s、10s、20s時(shí)溫度場(chǎng)分布云圖如下圖所示。 如圖所示，熱源荷載在隨著時(shí)間的增加從軌跡的一端移動(dòng)至軌跡的另一端。提取加載過(guò)程中，各子步模型的計(jì)算結(jié)果中的溫度最大值，其變化曲線如下圖所示。 如上圖所示，當(dāng)熱源剛加載在鋼板上時(shí)，鋼板模型的最大溫度較低，為3922.67℃，到隨著熱源的移動(dòng)，鋼板的溫度快速升高，在很短的時(shí)間內(nèi)會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的范圍，并在之后鋼板模型的溫度保持在較為恒定的范圍，隨著熱源的移動(dòng)會(huì)在6000℃左右有較小的波動(dòng)。 最后，歡迎有需要?dú)g迎通過(guò)微信公眾號(hào)聯(lián)系我們。 微信公眾號(hào)：320科技工作室。 |
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您好，我看了您的仿真模擬結(jié)果，有兩點(diǎn)點(diǎn)疑問(wèn)： 一是請(qǐng)問(wèn)您是如何看待仿真溫度達(dá)到6000℃這一超過(guò)材料沸點(diǎn)的現(xiàn)象？（溫度超過(guò)材料的沸點(diǎn)，必然會(huì)造成材料的蒸發(fā)，但您的模型中并未進(jìn)行考慮）； 二是根據(jù)您提供的內(nèi)容，焊接方式應(yīng)該不是高能束焊，那么普通的焊接方式形成的熔池肯定達(dá)不到6000℃，您是如何看待這個(gè)問(wèn)題呢？ |
2樓2020-08-31 16:05:54
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