船舶結構T型接頭焊接變形數值模擬研究

許維明,李智東,祝 曉,周 波

(1.大連中遠海運川崎船舶工程有限公司,遼寧 大連 116052;2.大連理工大學 船舶工程學院,遼寧 大連 116024)

0 引言

大型集裝箱船結構復雜、建造工序繁瑣、周期長,進行焊接時涉及的接頭類型繁多、板厚差異大,這極大增加了焊接裝配的難度,因此建造過程中控制焊接變形顯得更加重要。

T型接頭是集裝箱船建造過程中最常見的焊接接頭之一,它是船體骨架與骨架、板與骨架等結構之間的主要連接方式。由于焊接過程充滿了瞬態非線性,讓焊接變形的計算變得極其困難,尤其是大型復雜的船體結構,造成其焊接變形的因素更多,因而預測變得更加困難[1]。數值模擬方法憑借較高的計算精度和較強的工況計算能力逐漸成為了預測和分析焊接變形的主要方法。孫雪嬌等[2]基于ANSYS軟件建立了對稱T型接頭的數值分析模型,研究了兩邊對稱焊對T型結構焊接變形的影響,并總結了對稱T型接頭的一般焊接方法。沈濟超等[3]提出了將瞬態移動熱源模型等效成分段加載熱源可提高計算效率,并通過三段式移動熱源對船舶T型接頭進行了結果驗證。張迪等[4]利用ABAQUS對T型接頭的溫度和殘余應力進行數值模擬計算,并研究了焊趾TIG重熔區噴淋處理對T型接頭殘余應力的影響。NATEGHI等[5]通過SIMUFACT WELDING軟件對T型接頭的殘余應力進行了準確預報,并對T型接頭翼板坡口形式與焊接溫度場及應力場的關系進行了研究;FU等[6]基于ABAQUS軟件計算并分析了對稱單道焊2個焊道在不同焊接順序下的變形結果,發現當2個焊道的焊接方向相反時T型接頭的變形量最大。但由于熱-彈塑性有限元法的計算量非常大,目前還只能用于典型焊接接頭和小型焊接結構的計算,在使用該方法進行計算時還需要對模型進行合理簡化和設置以提高計算效率。

本文對某集裝箱船的T型接頭展開研究,利用ANSYS WORKBENCH有限元軟件對其建模并進行熱-彈塑性有限元計算,分析其焊接溫度場及應力場分布情況,并將焊接變形的數值計算結果與試驗結果進行對比,以此來驗證所采用的數值模擬模型及分析方法的準確性。

1 T型接頭焊接試驗

本文采用文獻[7]中的焊接試驗作為驗證案例,將其結果用于驗證后續開展的數值模擬的準確性。焊接試驗材料為低碳鋼,采用熔化極惰性氣體保護焊進行焊接。T型接頭的尺寸模型見圖1,接頭兩側的焊角尺寸分別為7.7 mm和7.1 mm。腹板兩側各有1個焊道,焊接電流為170 A,焊接電壓為30 V,焊接速度為4.3 mm/s。焊接時焊槍與面板的角度保持在45°(與焊縫表面垂直)。

1～18—測量點。圖1 T型接頭尺寸及測量點分布

為了準確獲取T型接頭的焊接變形值,在翼板上表面靠近焊縫附近沿焊縫方向設置18個測量點,測量點及焊縫分布見圖1。測量點在焊縫兩側對稱布置,其中:同側測量點之間距離為30 mm,焊縫兩側對應測量點之間距離為25 mm。焊接試驗前,先在焊件表面標記出這些測量點的位置并測量出它們的空間坐標值;焊接試驗結束焊件冷卻至環境溫度后,再次測量標記點的空間坐標值,重復3次試驗取平均值作為各點焊接前后的空間坐標值。

2 T型接頭有限元模型

2.1 有限元模型建立

焊件的有限元模型尺寸與實物完全一致。在進行網格劃分時,考慮到模型尺寸較大,為了兼顧計算量和計算精度,單元類型采用WORKBENCH默認的高階單元(solid90和solid186),這樣在單元數目較少的情況也擁有足夠的節點。網格劃分時,軟件會自動在幾何模型表面形成mesh200網格單元,進行計算時再自動分配到所需要的相應單元類型上,因此不必進行額外的單元類型的選擇和設置。為了節約計算資源并保證計算精度,采用非均勻網格劃分的方法,在焊縫區域使用較精細的網格,在遠離焊縫區逐步過渡到相對稀疏的單元,焊縫區的單元最小尺寸為1 mm。網格劃分的具體情況見圖2,單元共有86 124個,節點共有18 476個。

A、B、C—底面的3個頂點。圖2 T型接頭有限元模型

2.2 材料性能

焊接時熱源中心的溫度往往高達上千攝氏度,焊縫在較短時間內就會被加熱到很高溫度,此時如果仍采用常溫下的材料參數,不考慮溫度變化引起的材料參數變化值,計算結果會出現較大誤差[8]。因此,進行焊接過程數值模擬時,一定要盡可能詳細地給出材料在各個溫度下的物理性能參數。數值模擬所采用的材料與試驗一致,均為低碳鋼。在進行模擬時忽略焊縫金屬與母材的不一致性,使用統一的材料性能參數。

2.3 邊界條件

本文采用間接耦合的方式得到焊接變形,因此需要分別計算溫度場和應力場,且需要分別設置邊界條件。在求解溫度場時,焊件通過對流和向外輻射2種方式與外界進行熱量交換,焊件所處的環境溫度為20 ℃,熱輻射系數為0.2[9],對流傳熱系數按如下關系式計算[10]:

式中:ha為對流傳熱系數;T為焊件溫度,K。

在求解焊接殘余應力和變形時,除了將溫度場結果作為載荷加載到有限元模型上外,為了防止模型發生隨意移動并保證計算收斂,還需要對模型施加一定的剛性約束[11]。對模型施加剛體位移時,限制T型接頭有限元模型翼板底面3個角點的6個自由度,即限制模型A點的x、y、z方向位移,B點的y、z方向位移和C點z方向位移[9]。

2.4 熱源加載

由于焊件的焊腳尺寸較大,需要熔深較大的熱源模型,不能當作薄板分析。綜合考慮,本文采用均勻分布的高斯柱體熱源模型。該熱源模型呈柱狀,其熱流的分布特點是垂直于板厚方向為均勻分布,沿焊接方向為高斯分布[12]。

進行溫度場分析時,通過在有限元軟件ANSYS WORKBENCH中插入APDL命令流的方式來模擬焊接時的移動熱源。

3 計算結果分析

3.1 溫度場計算結果

本計算共有2個焊道,每道加熱時間約為70 s,之間保留約130 s的冷卻時間,第2道焊接結束后再讓焊件有足夠的散熱時間。由于焊件兩側的焊腳尺寸差異,且第1道焊有預熱作用,2道焊的最高溫度也有些不同。在焊接時,焊腳尺寸為7.7 mm的一側最高溫度保持在1 900.3 ℃,而7.1 mm一側的最高溫度保持在2 022.2 ℃。

為了準確模擬焊接過程,焊縫應該全部熔化。低碳鋼的熔點約為1 500 ℃。為了更好查看焊接過程中的焊縫是否全部熔化,熱源移動到焊縫中央時的截面溫度分布見圖3。從圖中可以看出,焊縫在焊接過程中實現了全部熔化,滿足焊接要求。

圖3 焊縫截面溫度分布(單位:℃)

3.2 應力場計算結果

焊接過程中產生的殘余應力一部分會轉化為塑性變形,另一部分則會保留在焊件內部。結構發生焊接變形后會增加施工難度,降低建造精度,而結構內部的殘余應力會降低結構對外部載荷的承受能力,增加疲勞或斷裂的風險,因此對焊接變形和殘余應力進行深入研究并加以控制具有重要意義。

T型接頭X向(橫向)和Y向(縱向)的焊接殘余應力分布見圖4。從圖中可以看出,接頭的殘余應力主要分布在焊縫及熱影響區附近,且關于焊縫呈對稱分布。X向的殘余應力集中分布在焊縫附近,沿焊縫方向同時存在較大的拉應力和壓應力,其中焊縫兩端表現為壓應力,最大值為247.4 MPa;中間位置表現為拉應力,最大值為111.9 MPa。從Y向殘余應力分布可以看出,在焊縫附近為拉應力,主要富集在焊縫中部,最大值達256.3 MPa;在長邊中央部分呈現壓應力,這是因為有約束存在,焊件足夠長,在焊接時長邊一側會向上拱起,擠壓內部,從而呈現壓應力。另外,由于端部效應的影響,焊縫兩端會出現局部應力增大的現象,這點在X向殘余應力的分布特點上有較好體現。從圖中可以看出,在施加熱源的起始端和終止端表現出了較大的壓應力。

圖4 接頭殘余應力分量分布(單位:MPa)

3.3 變形場計算結果

焊縫在焊接過程中隨溫度變化產生了膨脹和收縮,發生的變形一部分會因為其周圍母材的約束而抵消,而最終殘留下來的壓縮塑性變形就是焊接變形的主要部分。T型接頭的整體焊接變形在焊縫附近呈對稱分布,四周由于約束自由度的不同造成了這些位置的變形不對稱。將變形結果放大20倍后的效果見圖5。從圖中可以看出,焊件在焊縫附近區域向下凹,呈“V”形;面板4個角點因為設有約束變形很小,長邊兩側向上拱起,與此處呈現壓應力相對應;在焊縫的首尾端由于邊板效應,變形較焊縫其他位置大。

圖5 變形放大20倍后效果圖(單位:mm)

在實際焊接中,面外變形可以直接反映變形情況,Z方向的變形情況見圖6。從圖中可以看出,Z方向的變形沿焊縫對稱分布,長邊處的分布情況與焊件“焊縫附近區域向下凹,長邊兩側向上拱起”一致,最大變形量為1.46 mm,焊縫處的平均變形量約為1.00 mm。

圖6 接頭面外焊接變形(單位:mm)

3.4 數值模擬計算結果驗證

數值模擬計算結束后需要對計算結果的準確性進行驗證。為了避免邊板效應的影響,記錄焊件的縱向位移與橫向位移時,選取圖1中的14個采樣點(2、3、4、5、6、7、8、11、12、13、14、15、16、17)的縱向位移與橫向位移,再兩兩求平均值(2和11、3和12、4和13、5和14、6和15、7和16、8和17)。數值模擬與試驗結果比較見圖7和圖8。

圖7 沿焊縫方向的橫向位移分布

圖8 沿焊縫方向的縱向位移分布

從圖7和圖8可以看出,數值模擬的計算值較試驗值整體偏小,但是整體趨勢大致相同。在焊件的兩端,由于邊板效應的影響,兩者有一定差距。而在焊件中間區域,橫向位移的試驗值與計算值的平均相對誤差為8.4%。產生這些誤差的原因是很復雜的,這里為了減小計算難度做了很多簡化,忽略了一些需要考慮的因素;對于整個焊件尺寸來看,變形的尺寸是很小,要想在細微的變化中達到與試驗結果誤差很小是很難做到的,一些細微的外界擾動都可能造成很大的誤差。從總體來看,本計算結果很好地符合了實際焊接變形的規律。

4 結論

(1)通過熱-彈塑性法可以模擬出T型接頭的焊接溫度場及應力變形結果。在熱源移動過程中,溫度較為穩定。2道焊縫在加熱過程中的溫度分別保持在1 900.3 ℃和2 022.2 ℃左右;T型接頭的焊接殘余應力主要分布在焊縫及熱影響區域,最大殘余應力達216 MPa;接頭的焊接變形主要分布在焊縫及熱影響區域,該區域的最大撓度達1.46 mm。

(2)對計算模型及試驗焊件在相同位置處的采樣點的變形情況進行了統計和對比。結果表明數值模擬計算得到的橫向位移和縱向位移與試驗結果較為相符,變形曲線的趨勢基本一致。

(3)本文驗證了通過數值模擬計算T型接頭焊接變形的準確性,該方法能對實際生產中集裝箱船結構的焊接變形做出準確預報。