最近通过弹性有限元计算的薄板制造中的焊接变形预测研究外文翻译资料

 2022-07-30 21:40:03

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题目：最近通过弹性有限元计算的薄板制造中的焊接变形预测研究

作者：王江超 袁华 麻宁绪 村川英一

关键词：焊接变形预测 固有变形 平均温度

薄板焊接结构 弹性FE计算 焊接程序模式

摘要：弹性有限元仿真具有固有的变形和界面元素是一个理想的实际计算方法，用于预测薄型生产中的焊接变形板结构。在这项研究中，最近对固有变形理论的研究顺序介绍了船舶板的焊接诱导屈曲调查。采用焊珠焊接作为研究目标（厚度为2.28 mm的板），提出了具有固有应变的集成方法，以准确和方便地评估固有变形的大小。此外，提出和检查了平均温度以澄清板宽对固有变形的影响的影响机制。通过使用固有变形的弹性有限元分析的焊接诱导屈曲的机理研究，进行了通过采用不同的焊接程序模式来预测和减轻利用薄板制造船舶面板的焊接诱导屈曲的应用。经检查的间歇锯齿形焊接程序有效地减小平面内固有收缩的大小并控制可能的焊接引起的翘曲。

  1. 引言

到目前为止，用于焊接的有限元（FE）方法的计算模拟的一个主要目的是在整个焊接过程期间数值地预测焊接变形。通过预测接合结构的不希望的焊接变形，最终目标是为了顺序地支持制造设置的有价值的建议以控制和减少它们。残余焊接变形可能导致尺寸公差，组装结构中的制造完整性的问题，并且由于焊接之后的矫直，它们还可能增加成本并延迟生产计划。此外，众所周知，在焊接过程期间的瞬时变形可能影响待焊接部件之间的间隙，并且导致烧穿或非常小的穿透，这将停止焊接过程。此外，焊接过程中的瞬时屈曲可能会损坏焊接设备，因为其大的幅度和不稳定性特征。避免有害焊接变形的制造过程优化可以通过迭代实验过程来完成，由于巨大的成本，这在现代制造中是不实用的。

为了数值预测焊接变形，在过去几十年中提出了基于热弹性塑性分析的许多成就[1-8]，然而，它仍然是一个先进的计算的前沿研究课题，以有效地预测可能的焊接变形，以及焊接诱导弯曲，对具有薄板的焊接结构如海军舰船具有足够的精度。 使用焊接结构的固有变形和壳单元模型的弹性有限元分析是一种理想和实用的计算方法，用于预测焊接变形，计算效率和精确计算结果。 因此，对于生产高质量焊接结构和降低制造成本的现代制造程序，预先通过计算预测的焊接变形控制和减轻已经被广泛接受和实践。

使用固有应变/变形和界面元素的焊接结构的壳单元模型的上述弹性有限元分析是由大阪大学加入和焊接研究所的研究小组提出的，其被广泛用于研究大规模和大规模的焊接变形，复杂焊接结构。罗等人[9]研究了珠焊板作为对接焊接接头的理想情况。在这项工作中，在焊接过程中产生的固有应变主要由热循环中达到的最高温度和每个点的约束来确定。然后，进行弹性有限元分析以使用固有应变作为初始应变来预测焊接残余应力和变形。村川敦子等人[10]提出，总焊接变形确定为结构对累积的非弹性应变的弹性响应，例如塑性应变，蠕变应变和由相变产生的弹性应变。非弹性应变定义为取决于局部条件的固有应变。因此，这些固有应变可以使用有限数量的典型接头来计算，然后用于不同的应用。他们表明固有变形可以通过集成分布在每个横截面上的固有应变来评估，并且更容易存储在数据库中以预测未来的焊接变形。 罗等人[11]利用热弹性塑性有限元分析分析了具有纵向曲率的板的焊接变形。由固有应变产生焊接变形和残余应力，并且固有应变的积分不仅给出固有变形，而且给出肌腱力。提出了一种使用固有变形和腱力通过弹性有限元分析预测焊接变形的方法，并通过数值实例证明了其验证。通过一系列热弹性塑性有限元分析，罗等[12]建立了铝合金对接焊接接头的固有变形数据库。开发了基于该数据库的弹性有限元分析来预测大型焊接结构如大铝合金顶盖的焊接变形。后来，邓和村川敦子[13]开发了一种大变形弹性有限元分析，以准确预测焊接变形。在这项工作中，热弹性塑料有限元分析首先用于评估典型的焊接接头的固有变形，并进行弹性有限元分析，以预测焊接变形基于获得固有变形。另外，研究了初始间隙对焊接变形的影响。使用基于固有变形的弹性有限元分析，王等人[14]研究了钢板焊接变形对钢板板厚变化的影响，结果表明，这种利用固有变形的弹性分析不仅节省了大量的计算时间，而且保持了计算精度与实验结果。

最近，王等人[15]研究了具有薄板的球形焊接结构。通过实验测量每条焊接线的整体焊接变形，并进行对接焊接接头的热弹性塑性FE分析以评价固有变形。然后，提出了一种弹性分析，应用评估的固有变形对被检查的球形焊接结构的壳单元模型，以预测焊接变形。数值预测显示与实验测量良好一致。村川敦子等人[16]介绍了固有应变，固有应力，固有变形和固有力预测焊接变形的概念。具体地，当约束小时，固有应变转变为变形，并且当约束强时，其转变为应力（或力）。后来，基于固有变形和界面元素的FE计算的完整框架被开发，并且该框架被广泛用于在制造之前预测焊接变形以控制尺寸精度。作为实例，检查了从造船中的切割通过矫直到制造块[17]，船板[18]和上部结构[19]的焊接组装过程。 王等人[20]研究了一种用于舱口围板生产的改进的组装过程以减少焊接变形，其中通过使用上述FE计算来数值地计算由所提出的组装过程产生的焊接变形，并且将计算的焊接变形与使用常规装配工艺。

此外，焊接引起的屈曲作为特殊的焊接变形，这通常在薄板船板制造中产生，也通过具有固有变形的弹性有限元计算来研究。田岛等人[21]指出，焊接纵向收缩（腱力）在周围板场产生压应力，有时会导致这些板场弯曲。为了避免屈曲，通过使用具有不同焊接规格的连续和间歇焊接，进行了一系列热弹性塑性有限元分析以预测焊接腱力和横向收缩/弯曲。研究了汽车运载装置的汽车甲板的交叉加强面板。然后对不同的焊接程序模式评估双向残余应力。量化了焊接程序模式（连续，平行和之字形间歇焊接）在减少焊接残余应力和防止翘曲方面的有效性。邓和村川敦子[22]开发了一种焊接变形的预测方法，它结合了热弹性塑性有限元分析和弹性有限元分析与大变形理论。在大型薄板结构中使用的两个典型焊接接头的固有变形使用热弹性塑性FE法进行评价。然后，采用这些固有变形的弹性有限元分析来研究热输入，焊接程序，焊接顺序，板厚度和加强件之间的间距对这种焊接结构的屈曲倾向的影响。关注非对称弯曲板结构，在没有初始间隙的情况下的焊接变形使用弹性有限元分析[23]预测，其中通过比较计算结果和实验验证的固有变形。然后，数值研究了初始间隙对所检查的非对称弯曲板结构中的最终焊接变形的影响。 [24]基于固有变形的弹性分析研究了焊接诱导屈曲。他们考虑了薄板焊接结构，其中通过三维热弹性塑性有限元分析从一个典型的焊接接头评估固有变形。使用线加热，应用在加强件的相对侧上的矫直也被研究以减少屈曲失真利用相同的方法。 王等人[25-28]系统地研究了薄板焊接的焊接引起的翘曲具有固有变形的结构，并且其机理通过固有变形清楚地阐明。在2.28mm的薄板上的焊道板焊接和具有使用6mm厚度板的角焊接头的实际的薄板加强焊接结构，首先被实验检查。提出了使用由典型焊接接头的热弹性塑性FE分析评估的固有变形的弹性有限元分析来预测焊接变形，特别是焊接引起的屈曲。获得测量和计算的面外焊接变形之间的良好协议。同时，为了考虑屈曲灵敏度，采用特征值分析来评估临界屈曲条件和预测可能的屈曲模式。他们最终得出结论，面内固有收缩是焊接引起的屈曲以确定屈曲模式的主要原因，并且初始偏转和固有弯曲被认为是触发屈曲的干扰。

通过上述文献，已经建立了具有固有变形的FE计算的理论和应用。为了深入开发这种计算方法，本文介绍了一些最近的有价值的研究，其中包括：（1）由于对选择测量点灵敏度的反分析的缺点，提出了具有固有应变的集成方法来评估固有变形的大小。 （2）检查板宽度对腱力的大小（纵向固有收缩力）的影响。以来可以从由焊接期间达到的峰值温度和由周围材料支持的约束确定的固有应变来评估腱力。建议平均温度代表自我约束的变化由基材产生，板宽变窄。（3）对船舶板的生产中的焊接变形进行预测的实际应用。事先，通过热弹性塑性FE分析的计算结果评价角焊接头的固有变形，通过与实验测量。弹性有限元分析显示焊接后船板上出现的屈曲行为。当改进焊接工艺模式时，固有变形的大小将急剧减小;并且从与当前焊接程序的计算结果相比的弹性有限元分析的计算结果避免了焊接诱导的屈曲。

  1. 弹性有限元计算的概念和理论

如果使用计算或实验方法评估固有应变或固有变形，则可以进行具有焊接接头和结构的壳单元模型的弹性有限元分析以预测其焊接变形。 在弹性有限元分析中，固有应变/变形应用于壳单元模型中的焊缝; 并且待焊接在一起的部件之间的相互作用由界面元件表示，界面元件被定义为非线性弹簧。在应用中，通过控制界面元件的刚度和变形来考虑在不同组装过程中产生的结合强度，间隙和不对准。

    1. 固有应变

基于热弹塑性有限元分析和实验观察，Ueda et al。 [29]得出结论，焊接残余应力和焊接变形由固有应变ε*产生。 固有应变主要取决于接头参数，例如焊接接头的类型，材料性能，板厚度和焊接热输入。 在焊接过程的加热和冷却循环期间的总应变εtotal可以被划分为由等式1给出的应变分量。 （1），即弹性应变ε弹性，热应变ε热，塑性应变ε塑性，蠕变应变ε蠕变和通过相变ε相产生的。

ε总=ε弹性 ε热 ε塑料 ε蠕变 ε相

总应变可以重新排列为弹性应变和包括除弹性应变之外的所有应变分量的固有应变ε固有的和。 换句话说，固有应变ε固有被定义为热应变，塑性应变，蠕变应变的和以及由相位变换引起的由方程1给出的和。 （2）。 在固有应变的所有分量中，塑性应变是主要分量[16,23]，可以通过实验测量或通过热弹性塑性有限元分析进行评估。

特别地，对于由高碳钢制成的焊接接头，固有应变可以简单地由塑性应变表示，因为由蠕变和固态相变引起的应变小得多[23]，并且当温度 冷却至环境温度或初始温度。 在相变材料的焊接中，当在具有高冷却速率的冷却过程中发生固态相变时将产生相变应变，并且这种应变将影响固有应变的大小，最终影响残余应力， 焊接变形。

ε—ε弹性=ε热 ε塑料 ε蠕变 ε相=ε固有=ε*

为了理论上研究塑性（固有）应变，在足够宽的薄板上快速焊接的焊珠 - 板简单地通过两边固定杆的机械模型建模，其中电弧加热穿透具有高 移动速度和加热区域被固定，具有由足够宽的板的周围材料支持的强约束。 由于在每个位置的加热产生的塑性（固有）应变由焊接期间达到的最大温度和由周围材料提供的约束确定[30]。

考虑到上述两个边缘固定条，检查了纵向上的塑性（固有）应变，并且其理论解表明，在垂直于焊接线的横截面上的纵向塑性应变可以是根据如下给出的最大温度为三个区域导出。

T最大le;TY

TYlt; T最大lt;2 TY

2 TYle;T最大

其中，TY和T最大表示由于焊接的屈服温度和最高温度。 是纵向上的塑性（固有）应变，alpha;是指线性热膨胀系数。

后来，王等人[31]提出了在垂直于焊接线的横截面上的塑性应变分布。 图1示出了垂直于焊接线的一个横截面上的纵向和横向塑性（固有）应变的典型分布的计算结果。

    1. 固有变形

由于固有应变的集中特性和在焊缝附近的足够细的FE网的要求以应用固有应变，不接受使用固有应变直接预测残余应力和焊接变形的弹性有限元分析， 从实践的角度看，足够的FE网格是不可取的。 因此，随后提出了固有变形，其基于板结构中的焊接接头在垂直于焊接线的每个横截面上具有固有变形量的假设。

可以实现将每个横截面上的固有应变的分布替换为用于弹性有限元分析的固有变形的一个值。由于位移或变形是应变的积分，所以作为固有应变的积分的固有变形可以用于预测焊接变形而没有明显的精度损失。类似于固有应变，固有变形主要取决于接头参数，例如构造，材料性质，板厚度和焊接热输入。如果板的尺寸足够大，焊接接头的长度和宽度对固有变形的影响很小[32]。当忽略最终效应时，固有变形的大小可以近似为沿着焊接线的恒定值。这些常数值作为负载（力，位移和力矩）被引入到弹性壳单元模型中以预测焊接变形。计算结果与实验测量结果很一致[15]。

根据以下等式，固有变形可以被评估为在焊接方向上的纵向固有应变和在垂直于焊接线的横截面上分布的横向方向上的横向固有应变的积分。

其中，和是纵向和横向上的固有变形，和是纵向和横向的固有弯曲; h是焊接接头的厚度，x，y，z分别是焊接方向，横向和厚度方向。

    1. 界面元素

在复杂焊接结构的实际装配过程中，通过重复装配，定位焊接和焊接顺序地组装部件或块。在这种情况下，由于焊接变形，已经组装的构件不再具有设计的几何形状或尺寸。这导致在先前的制造工艺之后的间隙和未对准。如果待焊接的两个部件之间的间隙或不对准超过可容许的极限，则在焊接之前的装配过程中对其进行校正。在这种情况下，整个结构的最终变形受到间隙和未对准以及它们在拟合期间的校正的影响。因此，应考虑间隙和不对中，以预测和控制装配过程中的变形。可以通过界面元件[17,33]方便地描述要从自由组装到配合，定位焊和完全焊接状态的部件之间的机械相互作用的演变，其界定为布置在待焊接部件之间的非线性弹簧。

    1. 大变形和特征值分析

焊接引起的屈曲的发生是一种非线性响应，这也被认为是稳定性问题。这种现象可以使用大变形理论来预测和表示。 关于应

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