叉车结构件焊接变形场数值模拟研究

总结和阐述了目前焊接问题数值模拟中采用的主要热源模型。蔡志鹏等通过分析焊接热源的特征要素，在ANSYS高斯热源的基础上，根据输入热功率相当提出段热源模型，并与点热源结合，进一步提出更加灵活实用的串热源模型。经验证明，可在保持精度的同时大幅度地缩短计算时间，从而使实际构件工艺的模拟、优化成为可行。

二、焊接热变形场数值模拟

1、数模简化及网格划分

叉车部件的三维数模在叉车设计部门专业的三维绘图软件中完成，然后导出成IGES格式的文件，由于CAD模型通常不会考虑CAE分析的需要，DesignModeler是它们之间的桥梁。DesignModeler全参数化实体建模，基于ANSYS15.0 Workbench，提供适用于有限元计算的建模功能，包含具体模型的创建，CAD模型的导入和修复，CAD模型的简化以及概念化模型创建功能。叉车部件三维数模如图1所示。

根据焊接问题分析的特点，将模型中的全部体选中，组成一个新的部件，以便焊缝处能够共享节点，温度及应力结果过度平滑。本文采用串热源模型进行计算时，并且为了方便对焊缝进行分段，以三维几何模型中焊缝所在的自然线段的每段为一条焊缝。拟将所有的焊缝按照长度约为50mm进行分段。

Workbench中的有限元网格算法可以分为协调分片算法和独立分片算法，协调分片算法的分片面及边界考虑零件实体间的相互影响采用小公差，常用于考虑几何体的小特征。可以用虚拟拓扑工具把一些面或者边组成，构成虚拟单元，从而减少单元数目，简化小特征，简化载荷提取，因此如果采用虚拟拓扑工具可以放宽分片限制。独立分片算法的分片不是太严格，通常用于统一尺寸的网格。本报告中车架部件的网格算法采用协调分片算法。分析此模型，最小厚度为底板厚度30mm，為了保证计算精度，采用高阶单元算法，厚度方向上至少需要划分2层网格，故全局单元尺寸设置为15mm，单元类型为六面体主导的网格类型，以六面体网格为主导，局部内部填充使用四面体单元。最终划分的网格单元数为26044，节点数为102768，如图2所示。

2、材料模型

焊接的力学性能和热物理性能参数对焊接过程数值模拟的结果和计算过程均有较大的影响，因此，也必然要对数值模拟的精度和准确性产生影响。结构件材料为Q235钢，输入的力学性能和热物理性能参数（弹性模量、屈服极限、比热容、热导率、线膨胀系数、泊松比等）均与温度相关，并在进行三维数值模拟时对材料高温性能参数进行假设，查阅工程材料手册可得到其主要参数随温度变化曲线，选取主要数据点如表1所示。

3、焊接串热源模型及参数

高斯热源模型指输入热流密度沿加热中心的半径方向为高斯函数分布。这种模型作为弧焊热输入方式的描述可以很好地模拟温度场，进而得到较好的应力、应变数值结果。但这种模型需要在空间上将焊缝附近区域的网格划分得很细，在时间上也要很多时间步进行迭代计算，计算量非常大。实际构件的工艺优化若果用高斯热源模型实现的困难很大。

点热源模型是一种理想热输出方式，描述在空间中一个无尺寸的几何点上输出热功率的大小。如果将段热源模型用一组点热源模型取代，形成一串点热源，则既可以减少计算量，又有使用上的灵活性。这种用一组点熱源模型取代段热源模型的作用而形成的热源模型，称为串热源模型。对于串热源的描述只需指明在哪些节点上输入热功率的大小及加热时间。只要有节点即可施加点热源，不受节点所在面形状和方向的限制。而且可用鼠标直接点击需要施加的位置，可不用子程序去描述。

首先，斑点中心最大热流q_M及热源集中系数K的公式得到：

在段热源的基础上，加热长度为d的焊缝，单位时间内需要施加热量为：

加热时间为：

本文车架结构件的焊接工艺为C0₂保护焊，焊接热参数如表2所示。

按照上述焊接参数表，可得长度为d的焊缝焊接单位时间内总输入热量为：

实际焊接时，将长焊缝分段，则每一小段的单位时间内的热输入仅与该段的长度有关，而加热时间仅仅与该段的焊速有关，焊速一定，则为常量。将车架结构件所包含的40条焊缝顺序用数字表示如图3所示。

先将件2和件3与件1分别焊接，将所有焊缝标记为数字，共8条焊缝。

焊接工艺撑档4和5，将所有焊缝标记为数字，共12条焊缝。在件2和件3的内侧堆焊，共2条焊缝。焊接件6，共12条焊缝。焊接件2和件3的外侧，共6条焊缝。

根据模型的几何尺寸，焊缝如1、3、5、7的长度约为50mm左右，是所有主要焊缝中长度最小的，因此，本项目采用串热源模型进行计算时，拟将所有的焊缝按照长度约为50mm进行分段，并根据本项目的焊接工艺参数及串热源模型计算得到每一小段焊缝的热流。

4、移动热源APDL程序加载

采用分段移动的串热源模型，其载荷施加的本质是，定义一个随时间和空间变化的热流，定义热流随时间变化主要是体现实际焊接过程中的焊接速度，定义热流随空间变化主要是体现实际焊接过程中的焊缝的逐步加热。

目前，Workbench并不支持这种在线上施加随时间和空间变化的热流。为了能够清晰描述并施加焊缝的焊接顺序，方便检查及纠错，本文对每条焊缝分别编写一个命令流，40条焊缝共添加了40个命令流。

车架部件的焊缝共有40条，按照长度约为50mm进行分段，可以将其分为196段，每段焊缝为一个时间求解步，所以，在创建加载的APDL命令流时，对分成1段焊缝的每个短焊缝施加一个载荷步，而对分割成许多小段的长焊缝，可以利用APDL的do循环语句施加多步载荷，多步载荷的步数与焊缝分割的段数一致。命令流较长，考虑篇幅所限，这里仅给出第一条焊缝的加载程序如下。

求解上述196个焊接热量施加的时间步，可以得到车架部件焊接过程的温度分布，注意在求解结果当中插入温度结果这一项。求解多个时间步的问题，采用如下的APDL语言命令加载，其意义可以解释为，顺序求解载荷步的第1步到第196步，记录每一步的计算结果。

lssolve，1，196

求解焊接热变形时，将焊接瞬态热分析的温度结果直接传递给瞬态应力分析，首先在工程流程图区建立瞬态应力分析模块，将瞬态热分析的几何数据、材料数据、模型数据传递给瞬态应力分析，这样在焊接变形分析时只需要定义问题的力学边界条件及加载步即可。

加载时首先将模型的底板面向上方向固定，然后求解按照196个焊接热量施加的时间步，便可以得到车架部件焊接过程的变形分布，注意在求解结果当中插入应力和变形结果这一项。求解多个时间步的问题，采用如下的APDL语言命令加载，其意义可以解释为，顺序求解由于焊接温度引起的载荷步的第1步到第196步，记录每一步的计算结果。

三、计算结果与试验结果对比及误差分析

计算温度场、应力场、变形场均收敛，可以对计算结果进行后处理。对于焊接过程云图，限于篇幅，本文仅给出焊接结束后结构件的焊接温度场分布、变形场分布及残余应力场分布。

1、温度分布

车架部件焊接结束后温度场分布如图4所示，焊缝周围的温度分布较高，远离焊缝区域温度分布较小，并且整个结构的最高温度约为9300℃，最低温度为36℃，比室温稍高。

2、变形分布及与实验结果对比

进行实际焊接时，将底板自然放置于地面，然后将其余各板件进行点加固，然后逐条焊缝进行焊接。焊接结束后，测量平板l和平板2之间距离的变化，测量时选取的测点位于图5的平板1和平板2的边缘红线上，经测量，发现平板l和平板2之间的距离变化为0.50mm。

按照实际焊接的测量结果，首先将部件结构变形图以网格形式显示，然后计算出与实际焊接时一致的两条线的距离，最后将此距离与实际测量结果进行对比。为了比较更加可靠，这里计算两条线距离的办法是，PROBE出图6所示的平板1上边缘线各节点的位移，然后计算平均值，作为平板1边缘线的变形，依此，可以得到平板2边缘线的变形，具体节点位移及其平均值如表3所示。

由表3可见，车架部件焊接变形计算结果为0.56mm，实验测试结果为0.50mm，二者的误差为10.7%，在工程实际和项目要求的误差15%的范围以内，满足要求，表明本报告所建立的焊接计算模型及算法是合理和可靠的，可以利用此方法进行后面有关车架焊接顺序的优化。

上述焊接变形图的显示与实验测试是一致的，仅仅是一个方向的位移，实际上真正的变形是三个方向的位移的合成，即本次计算及本报告最关心的焊接变形场的分布，计算结果如图7所示，这里给出的是总的位移变形场，可见，焊缝周边节点的位移较小，而远离焊缝的节点的位移较大，最大的焊接变形节点的位移为1.4mm左右。

3、焊接残余热应力分布

焊接结束后车架部件残余应力的分布如图8所示，可见，最大应力为7.5GPa，最小应力为0.18GPa，并且，焊缝周围应力水平较高，其应力水平基本上超过了材料的屈服应力，使材料进入了塑性状态，而远离焊缝处基本保持较低应力水平。

四、结语

本文数值模拟计算得到叉车结构件的焊接温度场、应力场及变形场。对于温度场，焊缝周围的温度分布较高，远离焊缝区域温度分布较小，并且整个结构的最高温度约为9300℃，最低温度为36℃，比室温稍高。对于应力场，焊缝周围应力水平较高，其应力水平基本上超过了材料的屈服应力，使材料进入了塑性状态，而远离焊缝的地方基本保持了较低的应力水平。对于变形场，与实验测试结果进行了对比，二者误差为10.7%，在要求的误差15%的范围以内，表明本文所建立的焊接计算模型及算法是合理和可靠的，可以利用此方法进行后面有关车架焊接顺序的优化。焊缝周边节点的位移较小，而远离焊缝的节点的位移较大，最大焊接变形节点的位移为1.4mm左右。

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