摘要：焊接变形预测技术对焊接结构的制造和使用有重要意义，数值模拟是近年来研究焊接变形的主要手段和方法，文中综述了预测焊接变形的各种方法及其发展现状，重点介绍了热弹塑性有限元法和固有应变法预测焊接变形的原理、存在的困难和国内外研究者提出的相应解决措施，以及下一步研究有待解决的问题。
关键词：焊接变形；数值模拟；弹塑性有限元；固有应变
引言
焊接变形是焊接结构制造过程中最常见的问题之一。焊接变形种类繁多,情况复杂,主要有横向收缩、纵向收缩、弯曲变形、角变形及翘曲变形等。焊接变形的存在严重影响着焊接结构的制造过程和使用性能。焊接变形预测技术的发展与焊接变形控制技术的发展密切相关,深入研究焊接变形的机理有助于实现对焊接变形的精确控制。
1 焊接变形预测的发展
20世纪中叶以来,不少学者对薄壁结构焊接变形问题进行了研究。20世纪50年代,WatanabeM和SatohK开始关注低碳钢薄板结构焊接变形的翘曲现象,他们第一次提出了焊缝收缩的概念,并给出了一系列预测焊接变形的公式。
多年来,KarlssonL、MasubuchiK与McDillJMJ等许多专家学者对大型复杂焊接结构进行三维热弹塑性有限元分析,他们建立了很多复杂的数学模型。这些模型有助于认识焊接变形机理,能够较为准确地预测焊接结构的变形。TengTL对T形接头角焊缝进行了热弹塑性有限元模拟,分析了焊接过程的热力行为与焊接残余应力和角变形问题,应用死活单元法模拟焊缝金属的填充过程,并讨论了法兰厚度、焊接穿透深度以及约束条件对焊接残余应力和焊接变形的影响。
DaniewiczSR对大型海洋船体结构进行了试验和数值模拟的研究,以试验方法确定焊缝的固有收缩值,并将其应用于有限元结构分析的模型中,利用线弹性有限元成功地预测了大形海洋船体结构的焊接变形。LuoY指出,焊接过程所产生的固有应变主要是由各点的约束情况以及各点所经历的最高温度决定的。根据热弹塑性有限元模拟结果与及试验结果的比较,引入弹性约束参数,分别获得弹性约束参数与固有应变以及最高温度与固有应变的相互关系,建立了简单而准确的固有应变分布模型。
中国关于焊接变形模拟的研究始于20世纪80年代。哈尔滨工业大学的田锡唐教授,上海交通大学的汪建华教授等做过不少关于焊接热力过程有限元模拟方面的研究。另外,航空制造工程研究所的关桥院士在焊接变形预测与控制方面进行了深入的探讨,并在薄壁焊接结构低应力无变形控制技术方面取得诸多研究成果。近年来,清华大学的鹿安理教授在焊接力学模拟的动态可逆自适应网格技术、移动热源形式、相似理论及分布式并行计算等方面进行了很多创新性研究。
2 焊接变形数值模拟
2.1 热弹塑性有限元法
理论上讲，热弹塑性有限元法是焊接数值模拟最重要、最一般的方法，它跟踪整个焊接热循环过程，可以同时考虑许多重要因素的影响，除了用来预测焊接残余应力和变形，也可用以分析裂纹、疲劳、断裂等现象。
用于求解温度场的热源模型有许多种，最早使用的是点热源、线热源和面热源，分别用于不同形式焊件的温度场解析解。这种热源形式简单，但计算结果精度差。在焊接温度场二维分析中广泛运用的是经典的高斯热源模型，这种模型以及后来在其基础上发展提出的双椭圆高斯热源模型都没有考虑电弧对熔池的冲击作用，对于高能束焊接存在较大误差。1985 年 Goldak提出的椭球热源和改进的双椭球热源不仅可以考虑电弧力的作用，而且可以弥补熔池内液体流动对热传导的加快作用。双椭球热源适用于厚板焊接的三维数值分析。
焊接热循环数值模拟中常常要处理熔敷金属填充过程，常用的方法有两种：一是改变填充单元的材料特性，焊前赋予焊缝填充单元的弹性模量和热导率一个很小的数值，即认为焊缝部位材料不参与传力和传热，焊时和焊后单元的材料数据可按随温度变化的材料特性来处理；第二种是改变单元的 “ 死活”，焊接过程中，焊缝处的单元根据一定的判定准则一个个顺序地被激活。相变潜热对焊接温度场有着重要影响，通常用定义随温度变化的材料比热或焓来考虑相变潜热的影响。熔池内流体的流动增加了材料的传热速度，可通过增大有效热传导系数的方法来间接考虑流体流动对温度场的影响。
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2.2 固有应变法
热弹塑性有限元法原理上可以解决复杂焊接结构的应力和变形问题，但是该法耗用大容量计算机和很长的计算时间，因而难以满足工程实际需要。固有应变法是一种能相对比较经济地预测大型复杂焊接结构变形的方法，有很大的实用意义和发展前途。所谓固有应变可以看成是残余应力和变形的产生源，焊后存留于焊缝及其附近区域。只要知道固有应变的分布规律，就可以仅用一次弹性有限元计算来预测焊接变形。
G. H. Jung等用PDA法,研究固有应变分量与直角焊缝角变形之间的关系，结果发现，横向固有应变分量产生使直角变大的效果，垂向、纵向固有应变分量分别使直角变大和稍微变小，最终直角变小的变形效果主要来源于垂直焊缝方向的平面内的剪切固有应变，而另外两个平面内的剪切固有应变对角变形几乎没有影响，这个结论与传统思维迥然不同。用 PDA法预测的角变形值精度为弹塑性有限元法的 97%。由此可见，只有正确认识焊接变形产生的本质，才能充分有效利用固有应变法。
3有待进一步解决的问题
3.1 提高计算效率
清华大学的鹿安理教授等人在提高计算效率方面做了大量研究，主要成果有：在商用软件基础上开发了完善网格自适应技术的专用用户子程序，可以节约 1/3 左右计算时间；提出采用并行计算技术对缩短计算时间具有极大发展潜力。
3.2 建立工程材料高温性能参数数据库
为了准确模拟焊接过程中热影响区的热传导和热应力，需要考虑材料在高温和温度高速变化时性能参数，如热导率、比热、膨胀系数、弹性模量和屈服强度等。然而，目前这方面的信息十分匮乏，实际数值模拟中，高温时的参数基本由外推法确定。
在材料高温性能参数未知的情况下，屈服强度可采用简化的分段线性温度函数，其它参数可采用室温时的常数值。为了拓宽数值模拟在焊接领域的应用，提高预测结果的精度，有必要组织一个国际团体来收集或研究工程材料高温性能，建立参数数据库。
3.3 预测焊接结构的整体变形
Mourgue 等提出了一种有待改进的用于计算大型复杂焊接结构整体变形的 “ 局部到整体”法。该方法分两步实施：先使用细化的焊区三维有限元模型计算局部塑性应变，计算中考虑周围结构的机械约束，再将得到的塑性应变作为初始应变加到整体结构模型上，进行整体变形分析。
3.4 开发测试方法和装置
在焊接数值模拟的研究中，应该十分重视试验验证工作。开发经济、准确的测试焊接残余应力和变形的方法和装置设备，可以加快焊接模拟技术的发展。
4结语
数值模拟在焊接领域的运用，为解决焊接残余应力和变形这一难题带来了新思路和新方法。已有的研究成果使我们对复杂的焊接变形规律和本质有了进一步深入的了解。随着计算机硬件环境的不断提高，软件技术和数值模拟方法的改进，将大型复杂结构焊接残余应力和变形的数值模拟预测技术全面运用于实际生产，并用来指导设计，制定和优化焊接工艺。
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论文作者:梁海龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/17
标签：数值论文; 应变论文; 热源论文; 塑性论文; 结构论文; 应力论文; 有限元论文; 《基层建设》2018年第25期论文;