金属板焊接变形热力耦合分析简单案例
本案例来自于实际施工现场，有如下的金属板（细节进行了马赛克处理），金属板底面为刚性支撑（近似），两侧有两个定位孔，通过定位螺栓进行固定。底面的四个孔需要焊接管道，根据焊工反馈，焊丝的局部温度可到900-1000℃。金属板厚度25mm，现场焊接完发现金属板顶面发生了局部变形（凸起），最大变形量约为0.2mm。本案例采用workbench对金属板的局部受热变形进行计算。
建立金属板三维模型，在管道焊接位置建立一个2mm的凸台用以模拟焊缝，焊接温度边界也在此施加。考虑到几何模型的对称性，只取一半模型进行计算。需要注意的是，这种方式未必合理，采用对称模型需要综合考虑几何对称性、边界条件对称性。用简单的四面体网格，考虑到后续计算量大，为了节约施加，本案例采用较粗的网格。
由于焊接是个瞬态过程，焊缝位置的温度是一个快速变化的量，因此采用瞬态分析更为合理，建立如下的瞬态耦合分析模块。本案例做如下假设： 整条焊缝的初始温度900℃，保持10s，经过20s后降低至400℃，实际上焊枪是绕着端面一周焊接的，因此焊缝的温度也不是均匀的，该假设与实际偏差较大； 外界环境32℃，所有外部面的对流传热系数为30W/(m2℃)； 设置材料属性，假设钢材的线膨胀系数与温度有如下关系。 设置材料属性，假设钢材的弹性模量与温度有如下关系，泊松比恒定。 设置耦合边界的源项时间为ALL，这样就可以将所有时间内的温度边界作为瞬态力学分析的热边界。 设置力学边界，考虑重力，将焊缝位置设为固定边界，定位孔的螺栓平面设置为无摩擦约束，金属板底面设置为仅压缩支撑边界模拟现场的平面支撑。 首先，看一下温度的变化过程，在焊缝附近的温度较高，远处位置的温度较低，在30s内热量甚至还没有传到远端。 再看一下金属板的变形情况，可以看出发生了最大0.14mm以上的变形，金属板焊缝附近和一侧向上翘起。 再看一下定位孔螺栓平面所受的约束反力，最大达到了4.9e10N，这显然是失真的，本案例我们考虑材料是线弹性的，而实际上金属板发生了塑性变形，因此必须要考虑材料的塑性，但是由于计算量大，耗时太长…… 著作权归作者所有，欢迎分享，未经许可，不得转载
首次发布时间：2023-07-05
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