焊接动态位移场的建模与数值模拟水泵配件链钩沉头螺丝高压阀门挂表Frc

2.1 几何模型的建立

位移场的几何模型和温度场的保持一致，在完成该步的温度场计算后，通过单元变换将单元由温度场单元转换为结构场单元，单元的划分与温度场的保持一致，如图1所示。

图1 有限元计算单元的划分

2.2 熔池的处理

当熔池区的金属办公椅在电弧热作用下熔化时，熔池区将进入零力学性能状态，即所有的应力应变将消失；当熔池由液体转变成固体时，进入无应变历史的初始态。此外，液态熔池金属对周围固体施加的力很小，对熔池周围区域的应力应变分布几乎没有任何影响。因此，为了正确模拟高温区的应力应变分布，必须考虑熔池的出现和消失，否则将因熔池区的伪变形导致位移场模拟无效。对此，采用了 "单元死活"方法。其原理如下：对每一子步的温度场数值结果进行选择：超过熔点的单元将令其死掉，低于熔点的单元被"激活"。

2.3 非线性的处理

焊接过程中存在着很大的非线性。表现在以下几个方面：

① 几何非线性：焊接属于大应变问题。大应变是指所产生的应变大到足够引起单元形状的变化以至于引起刚度变化，

② 材料非线性：指应力和应变之间的非线性关系，例如塑性是存在非线性的应力－应变关系；而粘塑性，蠕变则是应变与其他因素（时间、温度）存在某种关系。为全面考虑分析中的塑性材料性能，必须考虑屈服准则、流动准则和硬化定律的统一。

针对以上问题，采用以下方法：

① 采用Full Newton-Raphson方法，每进行一次平衡迭代，就修正一次刚度矩阵，

② 应用Ansys提供的双线性等向强化模型模拟材料非线性。该类型适用于各向同性材料，Von Mises屈服准则和Prandtl-Reuss流动方程一同应用（但不考虑Bauschinger效应）。

2.4 分析流程

本文利用ANSYS软件进行有限元计算。ANSYS针对不同物理场的分析提供了两种耦合方式：直接耦合和间接耦合。严格来说温度场分析和位移场分析是直接耦合的，但由于试验证明这种耦合作用是非常小的，所以忽略不计。在计算时采用了建立在子步级别上的间接耦合方式。即：将时间划分成足够小区间（子步），每一区间内先进行瞬态热分析，求解结束后将热流梯度最大时刻的结果存入单元表中；然后进行单元转换，以相同的几何模型、单元划分进行结构分析，导入单元表结果数据作为结构分析的边界条件，作静态自由变形的结构分析。以此流程先进行5秒的焊接加热过程模拟，之后进行约60秒的冷却过程模拟。加热阶段的命令流程如图2所示。

图2 计算分析流程图

3 氩弧定点焊位移场计算结果的验证

本文的实验使用的材料是LY2铝合金，试件尺寸120×120×2mm，焊接方法是TIG定点焊，焊接电流80A，它是适应比较大的拉力焊接电压12.8V。焊接位移场测量方法是激光电子散斑干涉法。实验夹具如图3所示。

图3 实验夹具示意图

图4 TIG定点焊激光散斑法试验结果与有限元计算结果的对照

图4是TIG定点焊位移场的计算结果与利用激光电子散斑干涉法得到实际测量结果的比较（图示为全位移场的1/4）。从图中可以看出实验结果与计算结果存在着一定的误差，这可能是由下原因引起：

1. 材料的高温热物理和力学性能数据是采

用外推法获取的与实际的数据不符合而带来的计算误差；

2. 数值模拟中热源是严格施加于板中心的，而在实际实验中由于无法精确定位，且无法保证电弧与工件严格垂直。所以，影响了位移场的计算结果。

4 结论

本文利用激光电子散斑干涉测量技术的实际测量的焊接动态位移场与有限元计算结果进行了比较，结果证明计算结果与实测结果吻合良好。这说明本文利用弹塑性性理论所建立的焊接过程动态位移场硬化胶的模型是正确的。(end)