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基于機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析的激光拼焊

發(fā)布于:2024-04-23 18:25
有限元分析

      隨著工業(yè)科技的發(fā)展,激光拼焊工藝在航天、航海、汽車、機(jī)械加工等行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多。較之傳統(tǒng)焊接工藝,通過(guò)激光拼焊工藝獲得的拼焊板具有良好的沖壓成形性能,并且其焊縫區(qū)體積小,拉伸強(qiáng)度較高。在生產(chǎn)汽車的車身時(shí),通過(guò)激光拼焊技術(shù)可以減輕車身重量,提高沖壓成型率和車身的機(jī)械結(jié)構(gòu)性能。研究表明,焊縫的形狀和焊縫區(qū)、HAZ(熱影響區(qū))的晶粒尺寸對(duì)拼焊板的抗拉強(qiáng)度、成形性能等有很大的影響。基于有限元分析軟件對(duì)焊縫形狀、晶粒大小進(jìn)行預(yù)測(cè),及時(shí)對(duì)焊接工藝做出調(diào)整和優(yōu)化,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫形狀、晶粒大小的控制。因此本研究基于機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析,針對(duì)深沖鋼拼焊板,創(chuàng)建了焊縫形狀和晶粒大小的預(yù)測(cè)模型,并且進(jìn)行了相關(guān)模擬,對(duì)于優(yōu)化激光拼焊工藝具有十分重要的意義。
      采用快速軸流CO2激光拼焊設(shè)備對(duì)St12、St16深沖鋼激光拼焊板進(jìn)行單面焊雙面成形焊接。
      焊縫與深沖鋼板的軋制方向呈90°,沿壓縮軸方向?qū)⒛M變形的試樣從直徑1/3處剖開(kāi),置入2%~4%HNO3溶液中進(jìn)行腐蝕,制取金相試樣。完成金相試樣的制備后,使用光學(xué)顯微鏡觀察其金相組織并進(jìn)行分析。焊接試驗(yàn)中選用的深沖鋼板尺寸為500mm×270mm×1.2mm。若對(duì)整體試件進(jìn)行有限元建模,因計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng),使得建模較為困難,所以選取試件焊縫附近的一小塊區(qū)域創(chuàng)建三維有限元模型,其中模型的熱分析單元為Solid70,模型尺寸25mm×5mm×1.2mm。
      焊縫形狀具有較大的異樣性,在模擬過(guò)程中會(huì)形成一定的系統(tǒng)誤差,為了減小系統(tǒng)誤差,在試件不同的區(qū)域進(jìn)行不同疏密程度的網(wǎng)格劃分,焊縫較遠(yuǎn)的區(qū)域,網(wǎng)格劃分較為稀疏,焊縫和熱影響區(qū)(HAZ)網(wǎng)格劃分比較稠密,網(wǎng)格尺寸較小,為0.1mm×0.1mm×0.2mm,小于光斑直徑。因焊縫平面具有對(duì)稱性,只需建立單側(cè)模型。
      試驗(yàn)選用拼焊板厚度較薄(1.2mm),焊接時(shí)輸出功率較小,所以確定為傳導(dǎo)焊,熱源模型為高斯熱源模型。通過(guò)APDL編程的LOOP循環(huán)完成光源的移動(dòng),編程時(shí)設(shè)置100個(gè)載荷步實(shí)現(xiàn)熱源的加載。為了令移動(dòng)熱源的加載符合實(shí)際的移動(dòng)熱源特性,需用重貼加載法進(jìn)行加載即每進(jìn)行完一步載荷的加載后,該步載荷不予保留,去除后再加載下一步載荷。該模型下的邊界條件是指在激光拼焊時(shí),拼焊板和外圍環(huán)境對(duì)流與輻射換熱。
      在激光拼焊過(guò)程中,焊縫區(qū)發(fā)生了液化,試樣吸收大量的熱量,在一次結(jié)晶時(shí),試樣又釋放大量的熱量,所以在計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)不能忽略相變潛熱對(duì)溫度場(chǎng)的影響。
      材料的熱物理參數(shù)如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等,在常溫和高溫條件下確定方法不一樣,在常溫下可以通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲取;在高溫條件下,就需根據(jù)實(shí)際情況利用插值法和外推法求出。創(chuàng)建三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)模塊時(shí),輸出和輸入?yún)?shù)都是通過(guò)矩陣來(lái)展現(xiàn)的。


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