bb基于ANSYS的三面围焊直角焊缝应力分析及焊缝长度比例优化

1、文 章 编 号 ：1002025X(2015)01-0069-05基 于的 三 面 围 焊 直 角 焊 缝 应 力 分 析 及 焊 缝 长 度 比 例 优 化ANSYS王新峰，唐琰，刘酒 泉军732750）（中国酒泉卫星发射中心 ， 甘 肃摘 要 ： 为 分 析 航 天 发 射 场 某 钢 结 构 中 三 面 围 焊 直 角 焊 缝 开 裂 原 因 ， 应 用 ANSYS 软 件 对 承 受 单 向 载 荷 作 用 的 三 面 围 焊 钢 结 构 进 行 了 有限 元 分 析 建 模 ， 其 中 正 面 焊 缝 和 侧 面 焊 缝 长 度 分 别 为 140， 50 mm， 焊 缝 焊 脚 尺

2、 寸 为 6 mm。 通 过 有 限 元 计 算 ， 得 到 了 钢 结 构 整 体 的 应 力 分 布 ， 探 讨 了 正 面 焊 缝 和 侧 面 焊 缝 不 同 部位 的 应 力 大 小 及 其 变 化 规 律 ； 并 研 究 了 焊 缝 总 长 度 一 定 时 钢 结 构 薄 弱 部 位 的 应 力 随 正 面 焊 缝 与 侧 面 焊 缝 长 度 比 例 的 变 化 情 况 ， 给 出 了 正 面 焊 缝 与 侧 面 焊 缝 的 最 优 长 度 比 例 为 225， 分 析 结 果 可 为 三 面 围 焊 直 角 焊 缝 的 钢 结 构 设 计 提 供 参 考 。关 键 词 ： ANSY

3、S； 三 面 围 焊 焊 缝 ； 应 力 ； 长 度 比 例 ； 优 化中 图 分 类 号 ： TU3924； TG407文 献 标 志 码 ： B焊 缝 连 接 是 现代钢结构中一类重要的连接方法 ，两 工 件 采 用搭接焊接中的三面围焊方式应用广泛 。缝和平行于侧面焊缝的作用力为已知情 况 下 的 平 均应 力 计 算 公 式 ，而实际上往往由于正面 焊 缝 和 侧 面采用三面围焊直角焊缝 ，正 面 焊 缝 和 侧 面 焊 缝 联 合焊缝各自的承力无法精确计算 ，从 而 使 得 进 行 准 确承 担 载 荷 。 针对三面围焊焊缝的强度设 计 和 校 核 问题 ， 我国按照现行的 钢结构设计

4、规范 1实 施 ， 但 是规范中的强度计算公式实际是基于垂 直 于 正 面 焊的设计和校核存在较大难度 。欧 美 国 家 对 于 角 焊 缝的强度计算方法虽然与我国有所 不 同 2， 但 也 都 是 一种平均应力的估算方法 。 尽 管 有 改 进 型 强 度 计 算 公 式3提出 ， 但试验表明三面围焊直角焊缝的应力分布 非 常 复 杂 4， 对于较复杂的几何形状或 边 界 约 束 条收 稿 日 期 ： 2014-04-10··············&#

5、183;································控制箱相连。 其他与外部连接的管路均通过拖链来约从而消除了空冷电缆摩擦 、 刮 蹭 的 现 象 。 同 时 由 于管路连接方式合理 ， 整体上也非常简洁美观 。束， 在行走的过程中随着拖链一起运动，75 kV

6、A 变 压 器 拖 链如图 2 所示。焊 钳结语该 技术已经成功应用到 3 条五菱之光汽车生 4焊 机/焊 钳 底 座产 线 ， 经过一段时间的生产验证 ，解 决 了 空 冷 电缆 摩 擦 、 刮蹭导致的停线问题 ，接 质 量 。获得了良好的焊 伺 服 电 机滑 轨综 上 所 述 ， 将拖链的运动特性与 75 kVA 变 压器 体 积 特 性 结 合 ， 利用柔性电缆连接到焊机控制 箱 ， 巧妙地避免了较 长空冷电缆摆动连接方式 ， 解 决 了 伺服自动焊因空冷电缆摩擦频繁发生故障 的 问 题 。 因 此 ， 该机构可以广泛用于汽车伺服自 动 焊 。丝 杠图 2改进后伺服自动焊示意图 存在的优

7、点该方案避免了 铜排连接及较长空冷电缆连接方 式 ， 可以将所有的管 路约束在拖链内并随拖链行走 ，32 70 ·焊接质量控制与管 理· 焊 接 技 术第 44 卷 第 1 期 2015 年 1 月件，应用弹性力学 5相关理论求焊缝应力的精确理论 生 弹 性 变 形 ， 为准确获得焊缝应力分布 ，须 将 三 者解 也 很 困 难 。 加上受焊接方法 、工 艺 参 数 等 因 素 影视 为 一 个整体分析计算 ，分析中将焊缝横 截 面 视 为响 ， 焊缝中不可避免存在焊接残余应力 ，常 导 致 焊等腰直角三角形 。 在 ANSYS 软 件 9中 建 立 钢 结 构 的三 维

8、模 型 ， 建模时忽略正面焊缝和侧面 焊 缝 的 衔 接 部 位 ， 即认为三面围焊 焊 缝 为 3 条独立的直角焊缝 。缝应力腐蚀开裂 、 疲 劳 破 坏 等 ， 但可以通过热处理 、爆炸等方法减小或消除焊接残余 应 力 6。 焊 缝 通 常 是 焊接钢结构中的薄弱环节 ， 由 于 焊 缝 裂 纹 往 往 是 从 最大应力处萌生并扩展的 ， 因 此 有 必 要 详 细 准 确 了有限元单元类型选择为 8 节点六面体 “Solid 45”，材质 为 各 向 同 性 线 弹 性 体 ， 弹 性 模 量 E206×1011 Pa，泊 松 比 03。 由于连接板与焊缝连接的 3 个 侧 面

9、 以解载荷作用下焊缝的应力大小和分布特点，从而为焊缝 尺 寸 设 计 、强度校核以及载荷施加等 提 供 科 学 依及 焊 缝 与 基 板 连 接 的 3 个底面均为刚性连接 ，在据。 针对理论计算的困难，有限元方法有着ANSYS 中 采 用 Glue 功 能 粘 结 处 理 。采 用 扫 掠 法（FEM）很好的应用效果 7-8。本文针对航天发射场某承力钢 （Sweep） 将连接板和基板划分为均匀的 1 mm×1 mm×结构由于三面围焊直角焊缝的开裂导致结构连接失效1 mm 立方体网格单元 ；采 用 映 射 法将 焊（Mapped）的 问 题 ，应 用 ANSYS 有限元分析

10、软件对该三面围焊 缝划分为四棱柱网格单元， 其中焊缝横截面直角三角直角焊缝不同部位的应力进行了分析计算。形的斜边网格尺寸为 姨 2mm （即 斜 边 6 等 分 ），直角 边 及 焊 缝长度方向网格单元尺寸均为 1 mm，构的几何模型及网格划分结果如图 2 所示。钢 结1问题背景钢 结 构 中 ， 矩 形 连 接 板 ABCD 通过三面围焊直 角焊缝与另一矩 形 基 板 A1B1C1D1 采用搭接式焊接 ，其中连接板和基板的平面尺寸分别为 140 mm×50 mm和 200 mm×100 mm， 板厚均为 8 mm，焊缝焊脚尺寸hf 6 mm， 连接板的 AD 边与基板的

11、A1D1 边 平 齐 。在某种异常情况下 ， 连 接 板 AD 边 中 部 20 mm 宽 度 范围表面承受 P31 400 N 拉力 ，B1如图 1 所示 。C1（a） 几 何 模 型焊D1P三面围焊钢结构及其受力示意图 （b） 网 格 划 分三面围焊钢结构的几何模型及网格划分 图 1图 2连 接 板 和基板的材质均为 35 钢 ，焊 缝 强 度 认 为值 得 注 意 的 是 ， 连接板和基板接触的公共表面 虽然是紧挨在一起的 ， 但两表面之间可 以 发 生 相 对 位 移 ， 即公共表面上同一个空间坐标位 置 处 有 2 个与 母 材 的 相 同 。 钢结构因正面焊缝中部 开 焊 导 致

12、连接失效 ， 不考虑焊接残余应力的影响 。节 点 ， 分属于连接板和基板 ，两 节 点 之 间 无 约 束 关2ANSYS 建模外 载 荷 P 作用在连接板侧 面 上 ，系 。 由于连接板侧面中间局部表面受力 ，按 平 均 应通 过 焊 缝 将 载力 p0 31 400 N/（ 20 mm ×8 mm） 19625 MPa 处 理 ，即 在 连 接 板 AD 边 中 部 20 mm×8 mm 的 表 面 上 施 加荷传递到基板上 ， 连 接 板 、焊 缝 和 基 板 三 者 都 将 发正 面 焊 缝侧 面 焊 缝BC连 接 板AD侧 面缝A1 Welding Technol

13、ogy Vol44 No1 Jan. 2015 ·焊接质量控制与管 理· 71 相 应的均匀应力载荷 ，基 板 的 侧 面（ 对 应 B1C1 边 ）此 外 可 见 ，焊缝基板侧平面上正中部与 焊 缝 端 部 的施 加 x， y， z 向 位 移 约 束 。从焊缝的横截面 （图 2b）应力值大小相当 ， 焊 趾 L6 上 应 力 集 中 明 显 ，力值达 1682 MPa。端 部 应看 ， 直角焊缝有两个直角边和一个斜边 ，两 直 角 边分别与连接板和基板相连 ， 两 直 角 边 沿 焊 缝 长 度 方向形成的平面分别称为连接板侧平面和基板侧平面 。160140120L41

14、003焊缝应力计算结果通 过 ANSYS 有 限 元 计 算 ， 连 接 板 、8060焊 缝 和 基 板40组成的钢结构整体 Von Mises 应 力 分 布 如 图 3 所 示 ，20010203040x/mm（a） 连 接 板 侧 平 面506070由于钢结构和载荷关于 yz 平 面 对 称 ，应 力 分 布 也 关于 yz 平 面 对 称 ，正 面 焊缝与基板连接的中部区域应 22020018016014012010080604020力 相 对 较 大 ，钢结构整体的最大应力值为 2260L2具体位置位于基板表面 、紧邻正面焊缝焊趾中 MPa，L5部一个网格节点距离处 。010203

15、040x/mm（b） 基 板 侧 平 面506070图 4侧面焊缝正面焊缝直角边平面上的应力分布 32图 3 钢 结 构 Von Mises 应 力 分 布侧面焊缝长度对应的 y 坐 标 范 围 为 2525 mm，正面焊缝正面焊缝的 2 个直角边平面上的应力分布如图 4 所 示 ， 由 于 对 称 ， 图 中只画出正面焊缝长度的一半 ， 其 长 度 对 应 的 x 轴 坐 标 范 围 为 070 mm。 图 中 L1 L6 分 别 表 示 焊 缝直角边平面上距离焊根不同网格节 点 距 离 的 连 线 ， 例 如 L1 表 示 距 离 焊 根 1 个 网 格 节 点 距 离 的 连 线 ， L

16、2 表 示 距 离 焊 根 2 个网格节点距离的 连 线 ， 依 次 类 推 ， 下 同 。 由 于 直 角 边 平 面 上 网 格 大其 2 个直角边平面上的应力分布如图 5 所 示 。连 接31板侧平面上的应力呈现波浪式变化，靠近正面焊缝一端的侧面焊缝应力变化剧烈， 但最大应力值出现在侧面焊缝靠近外载荷 P 的 一 端 ， 最 大 值 为 445 MPa，距 离 焊 根 1 个网格节点距离处 。对 于 基 板 侧 平 面 而言， 距焊根不同距离上的应力变化趋势非常一致 ，相对而言， 中部应力小， 两端应力大，靠近正面焊缝一端的焊趾尖端应力集中，应力最大值 821 MPa。小 为 1 mm，

17、 故 L6 表 示 焊 趾 。 由 图 4a 可 以 看 出 ，从5045403530252015105焊缝中部至焊缝端部 ， 连接板侧平面上 的 应 力 值 单调 减 小 ， 且距离焊根越近 ， 应 力 越 大 ， 最 大 应 力 值L3L6为 1440 MPa， 位 于 L1 上 ，即 连 接 板 侧 平 面 正 中 部距 离 焊 根 1 mm 处 。对 于 基 板 侧 平 面 而 言（图 4b），从 焊 缝 正 中部至焊缝端部 ， 应力值先减小后增大 ，且距离焊趾越近 ， 应 力 越 大 ， 最 大 应 力 值 为 19180-25-20 -15 -10 0 5 10 15 20 25y

18、/mm（a） 连 接 板 侧 平 面MPa， 位 于 L6 上 ，即基板侧平面正中部的焊趾处 。/MPa/MPa/MPa L1L2 L4 L5 L1L3 L4 L6L1 L2 L3L5L6 72 ·焊接质量控制与管 理· 焊 接 技 术第 44 卷 第 1 期 2015 年 1 月可 见 ， 无 论 是 正面焊缝还是侧面焊缝 ，其 最 小908070605040302010断面上的应力值并不是焊缝整体应力的 最 大 值 ，而L3L5是 介 于 连 接板侧平面应力和基板侧平面应力之间 ，总体上处于居中水平 ， 并非通常所认为 的 “焊 缝 最 小断面上应力最大 ”， 因此通常

19、以焊缝最小断面为计 算截面进行焊缝静强度设计计算未必准确 。综 上 分 析 可 知 ， 正 面 焊缝基板侧焊趾的中部 、端部以及侧面焊缝基 板侧焊趾的端部应力集中明显 ，-25 -20 -15-10 0 5 10 15 20 25y/mm（b） 基 板 侧 平 面侧面焊缝直角边平面上的应力分布 图 5为钢结构的薄弱部位 ，但是当前钢结构 的 最 大 应 力焊缝最小断面焊缝最小断面又称焊缝喉部 ，值并非在焊缝上 ， 而是位于基板上表面 、距 正 面 焊33其应力分布如图 6缝焊趾中部仅有 1 个网格节点距离 即 1 mm 处 ，其 值所示。 由于焊缝内部应力连续分布， 最小断面是介于2260 M

20、Pa 已经明显超出了结构材质 35 钢 的 抗 剪 强基板侧平面和连接板侧平面之间的 一 个 截 面 ，3 个 平度 极 限 185 MPa，虽然正面焊缝与基板连接的焊趾 面相交于同一条直线焊根， 因此最小断面上的应力分布可以认为是 2 个 直角边平面上应力的综合结果 ，相对于连接板侧平面和基板侧平面上的 应 力 分 布 而正 中 部 最 大 应 力 值 1918 MPa 也超出了材质的抗剪 强 度 极 限 ， 但 是 在 外 载 荷 P 增 大 时 ，裂 纹 首 先 是 从结构中应力最大处产生的 ， 因 此 可 推 断 该 钢 结 构 焊缝产生裂纹时应该是从基板上表面上紧 邻 正 面 焊 缝

21、言，焊缝最小断面上的应力变化趋势更接近于连接板侧平面上的应力分布。图中显示正面焊缝最小断面上焊趾中部产生的 ，而不是恰好从正面焊 缝 焊 趾 中 部应 力 最 大 值 为 1253 MPa，侧面焊缝最小断面上应力 产 生 的 。紧邻正面焊缝焊趾中部的基板 上 表 面 因 外最 大 值 为 521 MPa，均 位 于距离焊根最近的网格节 载 荷 P 异 常 增 大 ，导致最大应力超出了材料的抗剪 点上（最小断面上的网格节点非均匀分布）。强 度 极 限 ， 从 而 产 生 裂 纹 ， 裂 纹 扩 展 继 而 引 起 正 面焊 缝 中 部 开 裂 ， 最终导致结构失效 ， 这 与 实 际 观 察 到

22、焊缝开裂位置和断口形貌基本相符 。1301201101009080706050L2L4L64焊缝长度比例优化ANSYS 有 限 元 计 算 结 果 表 明 ，三面围焊直角焊 缝 中 ， 不论是正面焊缝还是侧面焊缝 ， 其 2 个 直 角010203040x/mm（a） 正 面 焊 缝506070边平面上应力分布不均明显 ，其 中 正 面 焊 缝 的 连 接板 侧 直 角 边平面主要承受正应力 ， 应 力 相 对 较 小 ，而基板侧直角边平面主要承受剪应力 ， 应 力 相 对 较 大 ； 侧面焊缝的两个 直角边平面均主要承受剪应力 ， 基板侧平面上应力也相对较大 ， 可 见 三 面 围 焊 直

23、角555045403530252015105L4 L6焊缝与基板相连的 3 个连接面是相对 危 险 截 面 ，如果发生焊缝开裂 ， 必然是从基板侧先开 裂 ，而 不 是连 接 板 侧 。 此 外 ，正面焊缝应力总体上 要 明 显 高 于-25-20-15 -10 0 5y/mm（b） 侧 面 焊 缝10 15 20 25侧 面 焊 缝 应 力 ， 当 前 钢 结 构 中 ，前 者 的 最 大 值 约 为后 者 最 大 值 的 2 倍 ，当结构载荷不断 增 大 时 ，正 面图 6焊缝最小断面上应力分布 /MPa/MPa/MPa L1L2 L3L5 L1L3 L5 L1L2 L4L6 Weldin

24、g Technology Vol44 No1 Jan. 2015 ·焊接质量控制与管 理· 73 焊缝将首先产生裂纹 。由于该结构失 效 是 因 为 外 载荷异常增大所致 ， 因 此 ，为 了 防 止 这 种 异 常 情 况 导结论（1） 三 面 围 焊 直角焊缝钢结构中 ，5致的结构失效问题 ，一方面可以采取适 当 措 施 限 制正 面 焊 缝 应载荷的异常增大或选择更高强度的材质 ； 另 一 方 面可以在保持焊缝总长度一定 （其 他 条 件 不 变 ） 的 约 束 条 件 下 ， 优化正面焊缝和侧面焊缝的长度比例 ， 减小侧面焊缝和正面焊缝的应力差距 ， 从 而 提 高

25、 三 面围焊直角焊缝钢结构的整体承载能力 。力高于侧面焊缝应力 ； 正面焊缝长度方 向 上 应 力 对称 分 布 ， 基板侧直角边平面上远离焊根处应力大 ， 连接板侧直角边平面上靠近焊根处应力 大 。 侧 面 焊 缝 应 力 分 布 较 复 杂 ， 总体呈中间小两端大的态势 ， 靠近正面焊缝一端有明显的应力集中 。当前钢结构焊缝总长度为 240 mm，正 面 焊 缝 与（2） 不 论 是 正 面焊缝还是侧面焊缝 ，基 板 侧 直侧面焊缝长度 比 例 为 r140/5028，保持焊缝总长度 角边平面上应力均较连接板侧直角边平 面 上 的 应 力不变 ， 另选择 3 种焊缝长度 比 例 分 别 是

26、 2， 143， 10mm， 对应的连接板平面 尺 寸 分 别 是 120 mm×60 mm，大，且焊缝基板侧焊趾处为应力集中区 。焊 缝 最 小 断面上靠近焊根处应力较大 ，但（3）重 新进行相同载荷 整体上看应力值既非最大也非最小 ， 通 常 所 认 为 的“焊缝最小断面上应力最大 ” 的说法欠准确 。100 mm×70 mm， 80 mm×80 mm，作 用 下 的 ANSYS 应 力 计 算 ，钢结构及焊缝典型薄弱 部位的应力变化对比情况如图 7 所 示 。随 着 正 面 焊（4） 三 面 围 焊 焊缝总长度一定时 ，焊缝与侧面焊缝长度比例为 225。最

27、优 的 正 面缝与侧面焊缝长度比例 r 的减小 ，正面焊缝基板侧焊趾中部的应力和钢结构整体最大应力均 先 减 小 后 增大 ，而正面焊缝基板侧焊趾端部应力和 侧 面 焊 缝 焊参 考 文 献 ：GB 500172003 钢结构设计规范 S 北 京 ： 中国计划出版社 ，趾端部应力单调增大 。为了提高三面围 焊 钢 结 构 安12003全 ， 优化焊缝长度比例时 ，除 了 尽 可 能 缩 小 侧 面 焊李 茂 华 ， 侯 建 国 国内外钢结构 设计规范关于角焊缝的限值及计 2缝与正面焊缝的应力差距 ， 减 少 应 力 集 中 外 ， 还 应该考虑到钢结构整体的最大应力应尽可 能 小 ， 这 样 通过插值可以初步确定最优的焊缝长度比