基于ADINA软件的焊接结构应力场与温度场研究

基于ADINA软件的焊接结构应力场与温度场研究 基于ADINA软件的焊接结构应力场与温度 场研究 基于ADINA软件的焊接结构应力场与温度场研究 南京理工大学(210094)张俊徐越兰王克鸿许立讲 摘要应用有限元分析软件ADINA,对摩托车车架前叉与主梁加强板中心处短焊缝建模,模拟该处温度场和 应力场的动态变化过程.对温度场及残余应力的分析表明,经短暂的焊接热循环作用,以短焊缝为中心,在前叉管 的轴向和周向均存在应力;摩托车正常使用时,车架前叉与主梁加强板中心处有一定的冲压力存在,短焊缝的存在 使得车架上的应力较为集中,易造成车架短焊缝处断裂,引发事故.所以车架前叉与主梁加强板中心处应该不要 焊上.ADINA软件在焊接上的应用为预测焊接结构的残余应力以及分析焊接事故原因提供了一种方法. 关键词:温度场应力场数值模拟 中图分类号:TG402TP2.29 0前言 有限元法(FiniteElementMethod,FEM)也称为有 限单元法或有限元素法,它是随着电子计算机的发展 而迅速发展起来的一种现代计算方法.基本思想是将 求解区域离散为一组有限个,且按一定方式相互连接 在一起的单元的组合体?.ADINA(AutomaticDynamic IncrementalNonlinearAnalysis)系统基于有限元方法, 可面向求解结构,温度和流体等多领域工程问题的研 究.对焊接结构进行模拟的基本分析 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 为:?建立 几何模型,定义单元类型和材料属性,划分网格;?施 加边界条件,确定载荷步;?焊接温度场计算;?转换 热单元为结构单元,定义力学性能参数,给定参考温 度,施加约束条件;?读入温度场结果进行计算;?应 力和变形结果输出j. 前叉 图1主梁管与加强板连接示意 表1焊接工艺参数 置 主粱 1焊接结构特点2试验过程 利用ADINA及ADINA—T程序,对摩托车车架前 叉与主梁加强板中心处点焊焊缝的温度场及残余应力 进行分析.试验材料为Q215钢,尺寸为4,50mmx260 mm,厚度为2.5mm.结构特点:加强板压成马鞍形, 分别与前叉和主梁连接,既可以起加强作用,也可以在 其上面焊接小的固定件,以固定刹车线,电源线之类. 具体结构如图1所示. 采用CO,气体保护焊,其焊接工艺参数见表1. 收稿日期:2007一Ol—O8 302007年第10期 2.1建立模型 焊接过程中,焊接热源集中作用于焊件被焊部位, 且以一定速度沿焊接方向运动着,当焊接热源接近焊 件上某一点时,传导来的热量将使该点迅速加热升温; 随着热源的逐渐远离,则又迅速地从该点导出热量而 使其冷却降温].焊接接头的温度变化特点集中表现 在瞬时性和不均匀性,为提高计算精度,将此处的网格 划分得极为细密(最小单元控制在3mm);而远离焊缝 处网格划分较稀疏,用以减少整个模型的节点数,进而 缩短计算的时间,划分完成后共有节点数2520,单元 4048个.主梁尺寸为4,50mmx260mm,厚度为 . 试验研究r蜉慈 2.5mm;加强板厚度为1.5mm,如图2所示. 图2有限元模型 2.2相关参数及加载 焊接应力分布的大小取决于材料的线膨胀系数, 弹性模量,泊松比,焊件的形状,尺寸和温度场.而温 度场又与材料的导热系数,比热以及焊接工艺参数等 条件密切相关.Q215钢在各种温度条件下的热物理 性能参数由文献[7]查得,对未知温度范围内的材料性 能参数按插值法确定. 采用模拟内热生成的方式对划分后的单元直接 加载内热载荷,焊缝由4个热循环完成,每个时间为 o.5s. 电弧有效功率P:rlUl=0.68×20×180=2.448 kW,式中P为电弧有效功率;叼为加热功率的有效系 数,对CO焊取0.68;U为电弧电压;,为焊接电流. q=ptiV=2448×1/119=20.6J/mm 式中,q为热流密度;,为焊接时间;V为焊缝体积. 2.3时间步长的确定 整个求解计算过程共分加热和冷却两个部分,焊 接加热时间为2s,冷却时间为58s,总时间为1min. 经多次试验发现,在加热与冷却的前2s温度变化最 大,因此将该时间段的步长设定为0.1s;后期冷却的 时间步长设定为2s.总时间步数为68. 3计算结果及分析 由于建立的分析模型较大,划分的单元数较多,计 算处理过程中耗时较长.热源加载到工件上2s的瞬 态温度场分布如图3所示,图中热源中心处温度最高, 为1135?.冷却58s的瞬态温度场分布如图4所 示,由该图可看出温度沿轴向,周向的变化趋势.经 58s的冷却后,焊缝中心温度由图3中的1135?已降 为32.68?. 图3焊接2s温度场分布 图4冷却58S温度场 图5为焊缝中心和距离焊缝2mm母材的热循环 曲线.在焊接开始2s时,焊缝中心温度为1135?, 距离焊缝2mm处母材的温度为254?;经15s的冷 却后,焊缝处的温度和距离焊缝2mm处母材的温度已 较接近,分别为115?和108?. 被焊金属经历了由液态到高温固态,再冷却至室 温组织的热过程,必然存在由上述热过程所导致的应 越 赠 时间t/s 图5焊缝及热影响区的温度随时间的热循环曲线 2007年第1O期31 俘掳试验研究 力变化.由图6可见,应力的分布变化趋势与温度场 的变化趋势相似,最高应力出现在焊缝区,为1O.91 MPa,应力分布较集中.经58S冷却后的应力场如 图7所示,应力分布较焊接2S时均匀,最大应力区仍 在焊缝,应力值降低为0.14MPa. 图6焊接2S的应力场 图7冷却58S后的应力场 图8为冷却58S后圆管轴向的应力分布,坐标上 115mm处为焊缝中心位置.此图表明,焊缝中心的残 余应力为1.64MPa,沿管轴向逐渐减小,距离焊缝中心 15mm处的应力值为0.4MPa. 皇 氇 距离s/mm 图8焊后轴向的残余应力分布 图9是冷却58S后圆管周向的残余应力分布,坐322007年第10期 标上180.处为焊缝中心位置.此图表明,焊缝中心的 残余应力为4.7MPa,沿管周向逐渐减小,最小处应力 值约为0.1MPa,与轴向的残余应力分布的不同之处在 于圆管周向不同程度都存在残余应力. 皇 角度口(.) 图9焊后周向的残余应力分布 图1O为焊缝及距离焊缝2mm处母材的应力分 布,可见在焊接2S时焊缝中心处的最大应力达7.34 MPa,距离焊缝中心2mm处的母材受热部分的应力为 5.10MPa,经10S的冷却,焊缝和热影响区的应力值已 较接近. 皇 时间t/s 图lO焊缝及热影响区应力随时间的分布 4结论 (1)焊接时最高温度出现在焊接加热完成时,焊 缝中心温度为1135?.经58S的冷却后,焊缝中心 温度降为32.68?,仍为工件上的最高温度; (2)最大热应力出现在焊接加热完成时,其值为 1O.91MPa.经58S冷却后的焊缝中心应力值降低为 0.14MPa; (3)圆管轴向焊缝中心的残余应力最大,沿轴向 逐渐减小,距离焊缝中心15mm处的应力值约为焊缝 中心处的24%.圆管周向不同程度都存在残余应力, 焊缝中心残余应力为4.7MPa,最小处应力值约为焊缝 中心处的2%. (4)摩托车正常使用时存在一定外在的冲压力, 摩托车车架前叉与主梁加强板中心处短焊缝的存在使 生产应用r缛掳 基于支持向量机(SVM)的点焊 质量在线监测 天津工业大学机电学院(300160)张宏杰李雅峰 河北省行政学院(石家庄市050031)侯妍妍 摘要电阻点焊过程动态信号蕴含大量直接或间接反映焊点质量的动态信息,通过对焊接过程电极位移,动 态电阻信号的同步采集和分析,从两种信号中提取了l2个特征参量,建立表征点焊过程的数据集,以焊点抗剪强 度作为焊点质量评价指标,利用支持向量机(SVM)统计学习方法,将焊点试样动态监测参量与焊点抗剪强度之间 低维的复杂非线性映射关系,映射到一个高维的特征空间(Hilbert空间),原试样数据空问的非线性关系相应变化 为高维特征空间的线性关系,在不增加计算复杂度的情况下,实现对未知焊点试样抗剪强度的分类及预测.SVM 测试结果表明,支持向量机在小样本情况下具有较好的泛化能力,分类,预测速度快,准确率高,能较为满意地完成 焊点强度的分类,预测任务,可以作为进一步研究的方法. 关键词:电阻点焊统计学习理论支持向?机 中图分类号:TG453.9TB52.6 0前言 电阻点焊广泛应用于航天航空,汽车制造等行业 生产中,其焊接过程是一个高度非线性,多变量耦合作 用的过程,同时伴随着大量随机不确定因素,焊点质量 不稳定,难以控制.随着现代信号分析,数据挖掘等信 息处理技术的迅速发展,利用点焊过程动态信号特征 分析进行焊点质量监测受到广泛关注.文献[1,2]利 用线性回归分析及因子分析建立了监测参量与焊点强 度及熔核直径之间的回归预测模型;参考文献[3]利用 收稿日期:2007—0l一24 人工神经网络记忆和聚类处理的优点,设计了基于人 工神经网络的点焊抗剪强度无损检测系统;文献[4]以 焊接压力,焊接电流,焊接时间为输入矢量,利用多层 自组织特征映射网络完成到熔核尺寸的映射;文献[5] 通过建立点焊过程不同焊接参数下优良焊点形核过程 的模式类别,利用Hopfield网络的模式记忆功能实现 了焊点质量的分类评判. 文中提出一种利用动态电阻,电极位移信号的多 种监测特征参量构筑数据集表征点焊焊接过程,以焊 点抗剪强度作为焊点质量评价指标,建立焊点质量分 类,预测的支持向量机模型,实现焊点质量的在线评估 的方法. 得车架上的残余应力较为集中,易造成车架短焊缝处 断裂,引发事故.所以车架前叉与主梁加强板中心处 应该不要焊上. [2] [3] 参考文献 王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法(第二 版)[M].北京:清华大学出版社,1997.150—189. 陈楚.数值分析在焊接中的应用[M].上海:上海交通大 学出版社,1985.235—340. 拉达伊,熊第京,郑朝云.焊接热效应,温度场,残余应力, 变形[M].北京:机械工业出版社,1997.268—291. [4] [5] [6] [7] 张华,潘际銮.基于二维焊接温度场检测的三维温度场 计算机模拟[J].焊接,1999,20(4):225—231. 武传松.焊接热过程数值分析[M].哈尔滨:哈尔滨工业大 学出版社,1990.158. 陈伯蠡.焊接冶金学[M].北京:清华大学出版社,1982. 10—36. 谭真,郭广文.工程合金热物性[M].北京:冶金工业出 版社,1994.57—65. 惜简介:张俊,1982年出生,硕士研究生.主要从事新材 料的焊接,焊接材料智能化设计的研究. 2007年第10期33