本文選取結(jié)構(gòu)鋼材料進行管道焊接分析，管道內(nèi)徑r=25mm，外徑R=30mm,上/下管道高度為50mm。熔覆層共有兩層，每層30個熔覆單元，每個熔覆單元弧度為360/30=12°。

圖1 模型示意圖

本案例在溫度場計算中采用workbench默認的單元類型計算。為減少計算時間和資源，本案例采用默認的自動劃分單元模式，生成的網(wǎng)格如下所示。這里存在一個問題，即發(fā)現(xiàn)焊道網(wǎng)格和管道網(wǎng)格有網(wǎng)格節(jié)點不對應(yīng)的現(xiàn)象，這會影響到單元數(shù)據(jù)傳遞，因此后續(xù)需要進一步細化網(wǎng)格，并對網(wǎng)格節(jié)點進行調(diào)整或耦合。接觸面采用自動生成的bound連接類型。

圖2 網(wǎng)格劃分情況及接觸情況

焊接通過局部熱量集中輸入，在焊縫區(qū)域形成復(fù)雜的電、熱、化學(xué)反應(yīng)。焊接過程是一個高度非線性的理化反應(yīng)過程，焊接熔池和溫度場的分布描述復(fù)雜，在ANSYS數(shù)值模擬中，通常將熱源簡化為具有一定分布規(guī)律的熱流密度函數(shù)來用于計算。

在管道焊接中，采用熔化極惰性氣體保護焊的焊接工藝。在ANSYS溫度分析過程中采用高斯面熱源模型。其在焊接厚度方向上不考慮熱量梯度，適用于焊接熔深較小的表面堆焊焊接熱量和電弧熱在工件表面上的熱量分布情況。熱源作用在工件表面半徑為r_a的加熱半徑內(nèi)，熱量輸入呈中間高、四周低的特點。熱源作用區(qū)域內(nèi)任一點熱流密度q 為:

式中，Q 為單位時間的熱量輸入 q =η ×U ×I （U 、I 分別為焊接電流、電壓），r_a為焊接熱源加熱區(qū)域的半徑，r 為熱源內(nèi)任一點到熱源中心的距離。

熱源的熱量通過焊接電流、焊接電壓、焊接熱效率等參數(shù)體現(xiàn)的，在本文溫度場分析中，選取焊接電流為 I =180A，焊接電壓為U =12V ，焊接熱效率為η =0.75，有效光斑作用半徑為0.01m，焊接速度為0.1m/s。

由于實際焊接中焊縫是慢慢從無到有生長出來的，ANSYS中通過生死單元技術(shù)模擬單元的生長過程，所謂的單元“生死”并不是在加載過程中重新建立焊縫區(qū)域單元，而是在建模初期就已經(jīng)將焊縫區(qū)域模型建好，并完成劃分網(wǎng)格。利用在workbench中插入“生死單元”來模擬焊道的生成。

計算得到的熱歷史如圖所示，可知實現(xiàn)了兩層焊道的層間冷卻和熱源加載。第一道焊接結(jié)束后冷卻60S，進行第二道焊接，最后再冷60S。

在熱歷史曲線中可發(fā)現(xiàn)一些異常的點溫度突變，這是因為網(wǎng)格劃分較粗且網(wǎng)格節(jié)點不對應(yīng)造成，后續(xù)可通過細化網(wǎng)格解決這一問題。

圖3 焊接過程熱歷史圖

如下圖所示為第一道焊接過程中，第15S和第45S時候的溫度分布，可知在第一道焊接中最大溫度約為2700℃。

圖4 第15S和第45S時候的溫度分布

由于結(jié)構(gòu)鋼的熔點為1500℃，對15秒時候的結(jié)果溫度進行設(shè)置，可知，焊道能夠完全熔化，焊接可靠。

圖5 15秒時焊道界面溫度分布

分別選取垂直和環(huán)繞/平行于焊道的各5個均勻分布的節(jié)點進行溫度取值，得到結(jié)果如圖：

圖6 垂直和環(huán)繞/平行于焊道的各5個均勻分布的節(jié)點

圖7 垂直于焊道的各5個均勻分布的節(jié)點的溫度曲線

圖8 環(huán)繞/平行于焊道的各5個均勻分布的節(jié)點的溫度曲線

圖9 冷卻期間溫度的變化

導(dǎo)入溫度場的結(jié)果作為結(jié)構(gòu)場的邊界條件，得到的變形和等效應(yīng)力如圖。

圖10 總變形與180S（第二道焊接結(jié)束時）等效應(yīng)力情況

圖11 4個重要節(jié)點時等效應(yīng)力的變化曲線

注

意

事

項

本案例只作為流程指導(dǎo)，對結(jié)果的準(zhǔn)確性沒有深入探究，需要進一步細化

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