焊接仿真|桥壳结构焊接有限元分析
2024-11-28
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焊接仿真是一种利用计算机模拟技术来模拟和分析焊接过程中的物理现象和冶金行为的方法。通过这种方法，可以在没有实际进行焊接操作的情况下，预测和评估焊接接头的质量、焊接应力和变形、热影响区的大小和特性等关键因素。焊接仿真技术不仅有助于优化焊接参数，提高焊接结构的性能和可靠性，还能节约成本、减少实验次数、提高安全性，并为焊接工艺的创新和改进提供理论依据和技术支持。
激光仿真技术的优势在于其成本效益高、安全性强，能够优化设计、加速研发进程，并广泛应用于教育和多领域应用。它通过模拟多个物理场的相互作用，为工程师提供了一个无需物理原型即可测试和验证激光系统性能的平台，同时促进了个性化定制和跨学科的创新应用，极大地推动了激光技术的发展和应用。下面通过inteweld对桥壳结构结构件进行焊接仿真分析。
现有桥壳结构,如图1所示。需焊接上支架与结构件，并在焊接完成后，测量上支架销孔之间的距离变化，并观察焊缝附近的应力应变分布情况和整体的变形趋势。由于焊缝主要存在于上支架和结构件之间，焊接带来的变形对其他零部件的影响不是很大，在进行模拟计算时，对整体结构件进行了部分简化，如图2所示。
二、局部变形分析
2.1提取并建立局部接头有限元模型
根据三维模型提取出结构局部接头的CAD模型。在建立局部接头模型的过程中，进行了几何数据提取、网格划分和工艺建模，确保模型的准确性和可靠性。为方便仿真计算，接头模型的母材和焊缝均采用碳钢Q460C作为材料，因为实际焊接采用CO2气体保护焊，因此仿真时，采用双椭球热源模型。经求解计算，得到不同瞬时，焊接接头的温度、变形及应力分布的结果，如图5到图7所示。
三、整体结构焊接变形仿真分析
针对整个结构进行仿真，建立整体结构焊接仿真有限元模型，通过仿真分析模型在给定条件下的变形趋势、应力应变分布和上支架孔距变化。建立桥壳结构焊缝的有限元模型，将桥壳结构焊接区域进一步细化至2mm的单元网格。整体网格数量约34万。由于实际焊接时并没有夹具，因此在仿真过程中未添加夹具。对整体结构进行工艺建模，设置材料为碳钢Q460C，热源为双椭球热源，添加对应的焊缝后，调整焊接顺序，完成工艺设置。结构焊接顺序：先焊接焊缝1和4，再焊接焊缝3,最后焊接焊缝2和5。通过计算所得仿真结果，我们可以了解到焊接产生的变形主要集中在焊缝和上支架的位置，整体结构变形趋势为上支架的销孔部分向下偏移，并且销孔之间的孔距变大，如图10-12所示。整体结构最大变形量为1.23544mm。具体圆心位置变化及销孔之间的孔距变化如表1和表2所示，假设条件为销孔在Y方向上无位移，即假设两个销孔的圆心一直处于同一平面内。（黄色透明部分为原始模型，实体部分为变形后的模型）
四、总结
在建模过程中，首先需要对导入的三维模型进行简化及修复，然后对其进行网格划分。在对三维模型进行网格划分时，软件计算时间由网格划分大小决定，网格划分越细，计算机所需计算时间越长。在确保仿真模拟精度的前提下，可以细化焊缝附近的网格单元，适当增大远离焊缝部分的网格单元尺寸大小。最终整体结构件网格划分数量约为34万。桥壳结构的CO2气体保护焊会引起上支架部分的结构发生变形，其变形趋势为上支架部分向下凹陷，其中两个销孔之间的孔距减小，减小距离为0.5885013 mm。焊接产生的最大变形量为1.23544 mm，最大变形产生的位置位于中间凹槽的焊缝处。应力分布如图12所示，最大应力为411.212 MPa。
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