《关于角焊缝建模问题的探讨》由会员分享，可在线阅读，更多相关《关于角焊缝建模问题的探讨（10页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 2006 年用户年会论文 关于角焊缝建模问题的探讨 邹正刚 上海航天局第八设计部，200233 摘 要 本文对于工程结构中常用的角焊缝在 CAE 分析时的建模问题进行了一些探讨，通过对一些模型的分析比较，对角焊缝的建模方法提出了一些建议。 关键词 角焊缝，有限元，建模 Research into modeling of corner welding line Zou Zhenggang Shanghai Spaceflight bureau, 200233 Abstract In this paper we have researched into the modeling of corne
2、r welding lines in CAE. Based on the analysis of some examples we have provided some proposal. Keyword corner welding ling, FEM, modeling. 1 前言 在用壳体模型分析薄壁结构时，焊缝的处理是一个必须考虑的问题。如果建模时忽略焊缝材料 ( 即只考虑焊接板材的基本厚度) ，焊缝处有可能出现不符合实际情况的较大的应力。为了真实反映焊缝部位的应力状态，建模时考虑焊缝材料是非常必要的。 考虑焊缝材料的建模方法有多种，各有一定的优缺点。常用方法是：采用三维实体单元模拟焊
3、缝几何；采用变厚度板壳单元模拟焊缝处厚度的变化；采用梁单元模拟焊缝对壳体的加强等。本文通过实例对这几种常用的方法进行一些比较。由于结构的多样性，焊缝的类型也很多，本文讨论的仅是其中的一部分，即工程结构中常用的角焊缝的情况。 2 算例及比较 为了比较，设计了不同的计算模型，分别采用不同的单元类型和处理方式进行分析。 2.1 算例 1 - 均布载荷情况 2006 年用户年会论文 第一个算例包括两个模型，其几何形状分别见图 1 和图 2。竖板与横板连接处为双面角焊缝，模型 1 为不考虑焊缝材料的情况，模型 2 为考虑焊缝材料的情况。模型两端面固支，上表面承受均布压力。分别采用三维实体单元 ( 不考虑
4、或考虑焊缝材料) ，壳体单元 (不考虑或考虑焊缝材料) ，将焊缝简化为梁单元等方式建模，然后进行分析、比较。 图 1 模型 1 - 不考虑焊缝材料 图 2 模型 2 - 考虑焊缝材料 这里所说的不考虑焊缝材料，是指只对板材基本厚度建模，在焊接处将板刚性连接。而考虑焊缝是指建模时将焊缝材料也考虑在内，对于角焊缝，焊缝为等边直角三角形，直边长度等于板厚。对于壳体单元，将焊缝所在部分作为变厚度板处理。 2.1.1 不考虑焊缝材料的计算结果 图 3 图 6 图 3 模型 1，壳体网格，最大 Mises 应力 图 4 模型 1，壳体网格， 焊缝部位 128 Mpa，位置在上面板中间部位， 中的最大 Mi
5、ses 应力 106 MPa 2006 年用户年会论文 图 5 模型 1 ，实体网格，最大 Mises 应力 图 6 模型 1 ，实体网格，焊缝部位 118 MPa，位置在竖板与横板交叉区域 的最大 Mises 应力 117 MPa 由这两种模型的计算结果比较可见，不考虑焊缝材料时，焊缝区域的最大应力都比较大 ( 实体 117 MPa ，壳体 106 MPa) 。 2.1.2 考虑焊缝材料的结果 首先按实体网格进行计算，结果见图 7 和图 8 ： 图 7 模型 2 ，实体网格，最大 Mises 图 8 模型 2，实体网格，焊缝开始处 应力 96.1 Mpa ( 非焊缝区 ) 最大 Mises
6、应力为 83.8 MPa 对于壳体模型，采用将竖板的焊缝区域改为变厚度板的方法，即竖板与横板交界处厚度取为 24 mm，其余仍为 8 mm 。结果见图 9 和图 10： 2006 年用户年会论文 图 9 模型 2 ，变厚度壳体，最大 图 10 模型 2，变厚度壳体，竖板与横板 Mises 应力 124 Mpa (非焊缝区) 交叉区域的最大应力为 84.9 MPa 将焊缝作为梁处理，以焊缝截面作为梁单元截面，计算结果见图 11 和图 12 ： 图 11 模型 2，壳体+ 梁，最大 Mises 图 12 模型 2，壳体+ 梁，竖板与横板交叉 应力 123 Mpa ，其位置不在焊缝处 区域的最大 M
7、isess 应力 105 MPa 以上计算结果，无论以何种方式模拟焊缝材料，焊缝部位的最大应力都有所下降。但是由于分布载荷未在焊缝区域造成明显的应力集中，最大应力的下降是有限的。三种方法中，变厚度壳体的结果与实体模型差不多，而壳体+ 梁的办法对最大应力作用的影响很小。 2006 年用户年会论文 2.2 算例 2 - 集中载荷情况 第二个算例，几何及约束条件与算例 1 相同，载荷改为沿上表面中间部位的 5 个集中力，分别作用在上表面的中心点 ( 一个集中力) ，以及上表面与竖板的中面交线的中心点 (两边各两个集中力，每一边的合力值与中心点处集中力值相等) 。 由于载荷是集中力，在力的作用点处都有
8、明显的应力集中，最大应力出现在上表面中心点，即集中力作用点处。同时，在靠近集中力作用点的焊缝部位，也存在明显的应力集中现象。对这一模型，是否考虑焊缝材料，对焊缝部位应力的影响明显大于算例 1 。不同的考虑方法也产生不同的结果。由于集中力作用点附近的应力是由集中载荷所引起，与实际不符，在处理结果时均略去集中力附近的部位。 2.2.1 不考虑焊缝材料的结果 壳体单元的结果见图 13 和图 14 ： 图 13 模型 1，壳体单元, 上表面 图 14 模型 1，壳体单元， 中心点应力 446.7 Mpa ，不真实。 焊缝部位最大应力 173.1 Mpa 实体单元结果见图 15 和图 16 2006 年
9、用户年会论文 图 15 模型 1，实体单元，不考虑焊缝材料 图 16 模型 1 ，实体单元，不考虑焊缝 上表面中心点应力 344.1 MPa ，忽略。 材料焊缝处最大应力 165.6 MPa 由计算结果可见，不考虑焊缝材料时，在集中载荷的作用下，焊缝部位的应力集中现象确实比均布载荷大得多。 2.2.2 考虑焊缝材料的结果 用梁单元模拟焊缝材料的结果见图 17 和图 18： 图 15 模型 2，壳体+ 梁单元，上表面 图 16 模型 2，壳体+ 梁单元，竖板 中心点应力 445.6 Mpa ，忽略。 焊缝部位最大应力 139.2 MPa 由结果可见，用梁来模拟焊缝材料，焊缝部位的应力集中现象可以
10、明显缓解。图 19 和图 20 是采用变厚度壳体方法的结果。 2006 年用户年会论文 图 19 模型 2，变厚度壳体单元，上表面 图 20 模型 2，变厚度壳体单元， 中心点应力 446.4 MPa ，忽略。 焊缝部位最大应力 144.7 MPa 与用梁模拟焊缝相比，采用变厚度壳体单元，应力集中下降程度相近，略小。 图 21 模型 2，实体单元，考虑焊缝材料 图 22 模型 2，实体单元，考虑焊缝材料 上表面中心点应力 333.0 MPa ，忽略。 焊缝处最大应力 94.7 MPa 由实体单元的结果可以看到：实体单元对于集中载荷的影响是比较敏感的，所以其上表面加载点处同样出现严重的应力集中现
11、象。但是离开集中力作用点稍远一点，应力集中现象很快下降。采用实体单元后，焊缝部位虽然仍然存在应力集中现象，但数值比壳体情况有所下降。 2006 年用户年会论文 从理论上来说，如果不考虑焊缝本身的材料性能变化和是否焊透等因素，采用实体单元应该是最符合实际情况的，变厚度壳体和壳体+ 梁单元的方法差不多。不过，壳体+ 梁单元的方法虽然也可以模拟焊缝材料的作用，但是由于梁截面的确定有一定随意性 ( 截面形状、偏心等) ，有时难以真实反映焊缝材料的实际情况。 比较可见，上述三种方法虽然能在一定程度上真实反映焊缝材料的作用，但也都还存在一定局限性。以上述变厚度壳体实例而言，对竖板靠近焊缝部位采用了变厚度，
12、可以反映焊缝材料对竖板的作用；但是，将焊缝材料加到竖板后，横板仍为基本厚度，不能反映焊缝材料对横板的加强作用；如果在横板上也采用变厚度来模拟焊缝材料，则焊缝材料将被重复考虑。这方面如何设置更好，还需要进一步探讨。 虽然从理论上来说采用实体单元较能真实模拟焊缝几何，但实体单元最大的问题是计算规模很大。以上述简单例子来说，采用壳体单元，共划分了 9120 个节点，最多 6 9120 54720 个自由度；而采用实体单元时，在网格密度相近的情况下，共划分了 60264 个节点，最多 3 60264 180852 个自由度，相当于壳体单元的 3 倍以上，相应的矩阵大小将是 9 倍以上，会使计算时间大为
13、增加，在硬件条件较差时，有时甚至无法进行计算。此外，由于壳体单元是二维网格，比起实体单元、三维网格，划分起来要容易的多，单元质量也更容易保证，这对于提高计算精度是有利的。 综合上述结果可以看到，采用壳体单元，除集中力作用点 ( 可能还有单独的约束节点) 外，一般情况其最大应力应小于采用壳体单元的计算结果，更接近实际情况。但是采用变厚度壳体或壳体+ 梁单元的办法，仍然可以使焊缝等处的 “ 虚假” 应力集中得到改善。必要时可以在壳体网格的基础上，取出应力集中过大的局部结构，划分实体单元，然后以壳体单元的结果作为边界条件，进行更详细的计算。 2.3 算例 3 - 混合使用壳体与实体单元 为了兼顾壳体
14、单元和实体单元的优缺点，可以考虑混合使用实体单元和壳体单元，即在初步计算以后，对有明显应力集中的部位改用实体单元建模，其余部分仍用壳体单元，这样做，模型的规模会有所扩大，但比完全使用实体单元，其规模仍小得多。以下即按照这一办法修改集中力的算例，仅对焊缝部分使用实体单元，其余部分仍用壳体单元。 2006 年用户年会论文 对于实体+ 壳体单元，计算了两种情况，一种是仅仅将焊缝部分采用实体单元，另一个则对部分非焊缝部分也使用实体单元，以比较实体部分的大小对缓解应力集中的影响。 混合使用壳体与实体单元时的一个重要问题时如何协调二者连接处的不同位移自由度。这里采用的办法是将壳体单元延伸到实体内部，从而避免了采用节点变形耦合或多点约束方法时，需要大量定义有关约束条件的麻烦。 情况 1 的计算结果见图 23
