固有應(yīng)變理論下機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接探究

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摘要：機(jī)械結(jié)構(gòu)件是工業(yè)制造生產(chǎn)中十分重要的承載部件，同時(shí)也是影響架構(gòu)生產(chǎn)質(zhì)量的重要因素。為此，本研究提出一種基于固有應(yīng)變理論的機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方法。首先通過熱-彈塑性耦合法分析機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形的產(chǎn)生機(jī)制，然后利用固有應(yīng)變法構(gòu)建機(jī)械結(jié)構(gòu)件三維分析模型，根據(jù)實(shí)際焊接參數(shù)和順序?qū)υ撃Ｐ瓦M(jìn)行加載計(jì)算，得到焊接過程中的瞬態(tài)溫度場變化情況，以此為依據(jù)獲取最優(yōu)機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形控制參數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試證明：該方法可以有效完成機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形控制。

關(guān)鍵詞：固有應(yīng)變理論；機(jī)械結(jié)構(gòu)件；焊接過程；瞬態(tài)溫度場；變形控制

0引言

焊接技術(shù)也被稱為連接工程，是目前使用比較廣泛的一種材料加工工藝。其本質(zhì)是通過隨機(jī)一種物理或者化學(xué)過程導(dǎo)致分離材料中的原子和分子作用在一起，同時(shí)移動(dòng)熱源需要沿著焊接方向進(jìn)行加熱和凝固，最終達(dá)到融化連接的加工工程。作為工業(yè)制造生產(chǎn)過程中一項(xiàng)十分重要的操作環(huán)節(jié)，焊接技術(shù)有效促進(jìn)了我國國民經(jīng)濟(jì)和工業(yè)的快速發(fā)展[1]。隨著我國科學(xué)技術(shù)以及產(chǎn)品需求質(zhì)量的不斷提升，未來對(duì)焊接鋼材的需求量也持續(xù)增加，各種新型的焊接技術(shù)以及焊接材料也在不斷發(fā)展和進(jìn)步。國內(nèi)相關(guān)專家針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方面的內(nèi)容進(jìn)行了大量的研究，例如閆德俊[2]等人通過數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法對(duì)鋁合金薄板變形進(jìn)行控制，黃新宇[3]等人在分析焊接特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于Simufact鋼結(jié)構(gòu)架體焊接過程進(jìn)行簡化分析，并構(gòu)建熱源模型，借助模型完成鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的模擬分析和控制。在上述已有兩種方法的基礎(chǔ)上，本研究提出一種基于固有應(yīng)變理論的機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方法。

1基于固有應(yīng)變理論模擬焊接數(shù)值

固有應(yīng)變即為內(nèi)應(yīng)力形成的主要根源。當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)件處于初始焊接時(shí)期時(shí)，進(jìn)行焊接的對(duì)象沒有發(fā)生明顯的塑性形變，此時(shí)的固有應(yīng)變即為熱應(yīng)變。假設(shè)機(jī)械結(jié)構(gòu)件承受較大的熱量時(shí)，會(huì)發(fā)生十分明顯的塑性應(yīng)變，則此時(shí)的固有應(yīng)變即為塑性應(yīng)變和熱應(yīng)變的和[4]。當(dāng)實(shí)際進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接時(shí)，不同變形會(huì)隨著熱容量的變化而變化，所以固有應(yīng)變就是三者的總和，具體如式(1)所示：*PTXε=ε+ε+ε(1)式(1)中，εP代表塑性應(yīng)變；εT代表熱應(yīng)變；εX代表相變應(yīng)變。機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形可以劃分為兩種形式，分別為橫向變形和縱向變形。因此，在進(jìn)行模型構(gòu)建的過程中，需要將已知的固有應(yīng)變進(jìn)行簡化處理。假設(shè)已知機(jī)械結(jié)構(gòu)件的單位長度和縱向固有應(yīng)變和，則能夠獲取以下計(jì)算參數(shù)：式(2)中，Δ代表機(jī)械構(gòu)件的縱向收縮量；F代表梁的橫截面積；C代表曲率；Z'代表WX中心到截面中心的距離；J代表截面慣性矩陣；f代表機(jī)械結(jié)構(gòu)件的彎曲撓度。在上述分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)先需要對(duì)固有應(yīng)變分布進(jìn)行深入分析和研究，確定固有應(yīng)變的具體分布情況，同時(shí)準(zhǔn)確計(jì)算出機(jī)械結(jié)構(gòu)焊接變形以及殘余應(yīng)變[5]。固有應(yīng)變區(qū)域得到計(jì)算對(duì)于焊接變形進(jìn)行預(yù)測具有十分重要的意義，為了準(zhǔn)確計(jì)算出固有應(yīng)變區(qū)域的大小，需要引入縱向收縮力的相關(guān)概念。在機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接冷卻過程中，由于收縮量取值不同導(dǎo)致金屬內(nèi)部發(fā)生嚴(yán)重的變形，一般情況下將該區(qū)域稱為縮短變形區(qū)，同時(shí)也可以將其認(rèn)為是固有固有應(yīng)變施加的區(qū)域。另外，還可以將變形區(qū)域的形成設(shè)定為焊接部位存在的第一收縮力，同時(shí)將其應(yīng)用于初始無應(yīng)力的機(jī)械結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，促使構(gòu)件形成壓縮變形。其中，收縮力Ff的計(jì)算公式如下：式(3)中，εp代表機(jī)械結(jié)構(gòu)件的縮短變形量；Ap代表變形區(qū)域的總面積。機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接是一個(gè)十分復(fù)雜的過程中，加熱過程會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)件的組織以及裂紋產(chǎn)生不良影響，所以加熱過程會(huì)影響焊接質(zhì)量，同時(shí)也是判斷焊機(jī)好壞的一個(gè)重要因素。其中，非線性瞬時(shí)熱傳導(dǎo)的微分方程可以表示為式(4)的形式：式(4)中，p代表機(jī)械結(jié)構(gòu)件組成材料的密度；t代表時(shí)間；c代表材料的比熱容；λx、λy、λz分別代表x、y和z方向的熱導(dǎo)率。機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)值分析的應(yīng)力場和變形場結(jié)論是經(jīng)過焊熱分析所形成的，決定性因素為溫度場。其中，焊接力學(xué)場對(duì)溫度場產(chǎn)生的影響是十分小的。焊接數(shù)值模擬中溫度場和載荷數(shù)據(jù)的設(shè)定是十分重要的，采用加熱載荷對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件的熱彈性問題進(jìn)行分析。其中，詳細(xì)的熱力分析流程如圖1所示。將機(jī)械結(jié)構(gòu)件作為研究對(duì)象，劃分為多個(gè)不同的有限單元，在焊接溫度場已經(jīng)設(shè)定的前提下，需要緩慢增加溫度，其中各個(gè)單元中節(jié)點(diǎn)位移增量{dε}e和應(yīng)變?cè)隽縶dδ}e之間需要滿足式(5)的約束條件{dε}e：式(5)中，[B]代表應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。機(jī)械結(jié)構(gòu)件變形是因?yàn)檫M(jìn)行焊接的過程中溫度會(huì)處于十分不穩(wěn)定的狀態(tài)，從而嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的焊接效果，同時(shí)也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)件的安裝和生產(chǎn)產(chǎn)生不良影響，所以有效控制機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形具有十分重要的意義。在焊接變形控制方面主要采用焊前可變形法，即在熱容量增加前對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件施加反向彈性變形；在熱容量降低后，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件進(jìn)行冷卻處理，避免產(chǎn)品出現(xiàn)變形，最終達(dá)到產(chǎn)品的使用需求。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)件底板厚度比較薄，所以不會(huì)對(duì)橫向變形產(chǎn)生十分明顯的影響，可以將底板中存在的固有應(yīng)變忽略不計(jì)。其中，底板的固有應(yīng)變V*ε表達(dá)式如下：式(6)中，ε代表固有應(yīng)變；E代表彈性模量；Bf代表固有應(yīng)變?cè)诘装迳系姆植奸L度；l代表底板的長度。底板變形屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)件的大撓度彎曲問題，所以需要借助大撓度形變勢能計(jì)算對(duì)結(jié)構(gòu)件所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變勢能，如式(7)所示：12VVVεεε=+(7)式(7)中，Vε1和Vε2分別代表不同面的應(yīng)變勢能。當(dāng)?shù)玫綑C(jī)械結(jié)構(gòu)件變形后的撓度曲線，需要借助有限元軟件SYSWELD進(jìn)行驗(yàn)證。在熱影響區(qū)內(nèi)，當(dāng)網(wǎng)格密度降低，說明算法中的迭代次數(shù)也隨之減少，相應(yīng)的計(jì)算時(shí)間也會(huì)減少，但是整體的數(shù)值模擬精度則會(huì)相應(yīng)的增加。反之，當(dāng)網(wǎng)格密度增加，算法的計(jì)算精度和時(shí)間都會(huì)隨之增加。所以，網(wǎng)格劃分十分重要。在此次模擬中，由于區(qū)域不同，需要采取多種不同的網(wǎng)格劃分方法，在熱響應(yīng)區(qū)域內(nèi)，需要提升網(wǎng)格密度；剩余地區(qū)，可將網(wǎng)格密度降低。這樣不僅可以有效減少算法進(jìn)行計(jì)算所使用的時(shí)間，同時(shí)還能夠相應(yīng)地減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算壓力。熱源的準(zhǔn)確與否決定著焊接模擬計(jì)算是否準(zhǔn)確，所以選擇合適的熱源形式以及適當(dāng)?shù)哪芰枯斎刖哂惺种匾囊饬x。在實(shí)際焊接工作中，受到焊速影響，電弧沿著焊縫運(yùn)動(dòng)時(shí)，電弧后方的加熱區(qū)域規(guī)模明顯要比前方的加熱區(qū)域規(guī)模大一些，為了有效進(jìn)行區(qū)分，將電弧中心作為分界點(diǎn)，同時(shí)電弧前后方均可以借助橢球進(jìn)行描述，得到的熱源模型即為雙橢球熱源。雙橢球熱源模型的不同區(qū)域可以采用不同的方式進(jìn)行描述，如式(8)所示：式(8)中，Q代表熱輸入量；a、b和c分別代表不同的橢球形狀參數(shù)；qf和qr分別代表模型的前后兩個(gè)部分。在焊接數(shù)值模擬過程中，隨著熱源的不斷向前，機(jī)械結(jié)構(gòu)件的溫度也是不斷變化的。根據(jù)上述的有限元模型，可以在軟件中輸入相關(guān)數(shù)值，選擇合適的導(dǎo)熱方程，冷卻環(huán)境選擇在空氣中冷卻，根據(jù)計(jì)算模擬，獲取溫度場的變化結(jié)果。

2機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形控制

由于焊接是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，單純通過理論方法很難有效解決實(shí)際問題，加上機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形量的計(jì)算還涉及到具體焊接結(jié)構(gòu)的剛性。所以，在進(jìn)行變形量計(jì)算的過程中，借助上述的數(shù)值模擬結(jié)果獲取實(shí)際應(yīng)用中反變形的大小，為后續(xù)的機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形控制提供一定的理論依據(jù)。根據(jù)反變形理論以及不遺漏最優(yōu)方案，設(shè)定變量的上限為預(yù)估計(jì)值的3倍，設(shè)定垂向反變形壓力的取值范圍為[0，3Mpa]，水平反變形壓力的取值范圍為[0，1.2Mpa]。通過上述分析可知，機(jī)械結(jié)構(gòu)件在進(jìn)行內(nèi)部焊接時(shí)不施加反變形量，所以不考慮結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的焊接。所以，結(jié)構(gòu)件數(shù)值模擬不建立內(nèi)部焊接，只組建內(nèi)部隔板。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)件底部的橫截面積比較小，且蓋面層焊接時(shí)對(duì)其具有二次加熱回火的作用，所以反變形量只能夠在蓋面層焊接時(shí)施加。通過優(yōu)化方案以及優(yōu)化需求，將水平以及垂向變形壓力作為設(shè)計(jì)變量，在進(jìn)行優(yōu)化分析的過程中，狀態(tài)變量可以設(shè)定為機(jī)械結(jié)構(gòu)件在中部垂向彎曲變形量，優(yōu)化目標(biāo)為了使機(jī)械結(jié)構(gòu)件中部水平彎曲變形量最小。在進(jìn)行優(yōu)化的過程中，狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)必須為正值，所以選取狀態(tài)變量以及目標(biāo)函數(shù)的絕對(duì)值，暫時(shí)不需要考慮變形方向。當(dāng)完成優(yōu)化分析后，重新設(shè)定立彎和旁彎變形量，有效驗(yàn)證變形方向。其中，優(yōu)化迭代分析的數(shù)學(xué)模型如式(9)所示，δi代表循環(huán)總次數(shù)；PIV1+PIV4代表垂向反變形壓力；PIH1+PIH4代表水平反變形壓力。結(jié)合上述內(nèi)容，給出詳細(xì)的變形控制流程：步驟1：輸入不同參數(shù)的取值范圍；步驟2：組建有限元分析模型，同時(shí)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，通過焊縫單元排序按照步長組成生死單元數(shù)組。步驟3：通過激活生死單元獲取所保存的焊縫單元，同時(shí)進(jìn)一步進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。步驟4：輸入反變形壓力初始值。步驟5：分析熱分析結(jié)果，設(shè)定力學(xué)邊界條件，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行深入分析。步驟6：提取機(jī)械結(jié)構(gòu)件中心部位的平均位移值。步驟7：組建分析文件。步驟8：優(yōu)化不同變量以及目標(biāo)函數(shù)，選擇合適的優(yōu)化方法。步驟9：進(jìn)行優(yōu)化分析。步驟10：判定是否滿足優(yōu)化準(zhǔn)則，假設(shè)滿足，則輸出最優(yōu)結(jié)果；反之，則跳轉(zhuǎn)至步驟4。

3實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證所提基于固有應(yīng)變理論的機(jī)械結(jié)構(gòu)件焊接變形控制方法的有效性，進(jìn)行以下仿真測試分析。由于在焊接過程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)件的不同物理性能參數(shù)會(huì)隨著溫度的變化而變化，所以在設(shè)定材料物理屬性時(shí)，不能夠直接使用材料物理性能參數(shù)的平均值，而是需要不同溫度下材料的物理屬性。利用圖2對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)件內(nèi)置材料的物理性能參數(shù)和溫度之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

作者:趙勝 單位:濮陽技師學(xué)院