基于“局部-整体”映射法的焊接装配变形数值仿真
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j焊接条件l图3所示局部模型几何形状热源模拟卜局部模型焊接方向局部模型模拟局部模型机械结果整体模型建立卜焊接顺序整体模型变形汁算图3局鄙梗型局部模型模拟必须真实反映出作为整体结构时的整体焊接结构变形焊接条件换言之局部模型的边界条件对局部塑性图1焊接变形计算流程图应变场有影响必须仔细选择
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ｔ ｈｏｇ） ｅ ｎ ｌ ｙ ，通 过计算 机 模拟 对 薄壁 箱形梁 进 行 了焊 ｃ ｏ 接 变形仿 真研究 ，同时在 改变焊 接顺 序的情 况下 ，得 到 了薄壁 箱形梁 的 一些变 形规律 ，同时将模 拟结果 与 试验情 况对 比分 析 ，二 者基 本一致 ，从 而为 大型焊 接
结构残 余 变形数 值模 拟提供 了一种 新 的数 值方法 。
基 金 项 目 ： 复杂 产 品 协 同设 计 、 仿 真 、优 化 一 体 化 平 台 研 究 开 发 及 其 应 用 ，国家 ８ ３ 目 （０ ６ ０ Ｚ ６ ） ６项 ２０ ＡＡ ４ １０
Ｗｅ ｉ ｅ ｈ ｏ ￣ ｏ． ｏ１ Ｆ ｂ ２ ０ ｌｎ ｄ ￣Ｔ ｃ ｎ ｌ ｖ Ｖ １ ７ Ｎ ． ｏ ３ ｅ．０８
文 章 编 号 ：０ ２ ０ ５ ２ ０ ） １ ０ ４ － ４ １ ０ — ２ Ｘ（０ ８ ０ － ０ ３ ０
・ 接 质 量控 制 与 管 理 ・ ４ 焊 ３
又 比较经 济地预测焊接变 形的方法就显得 十分 有意义 。 本文 使 用Ｓ Ｓ Ｌ Ｙ ＷＥ Ｄ和Ｐ Ｍ— Ｓ Ｅ Ｌ 软 件基 于 Ａ Ａ Ｓ ＭＢ Ｙ
收稿 日期 ：２主要 分３ ： 步 第 １ ，局 部 模 型模 拟 ：在 考虑 所有 焊 接耦 合 现 步 象 的条 件下 ，对 细化 的局部模 型进行 热弹 塑性计算 。
焊 接 装 配 变 形 数 值 仿 真 ． 同时 对 不 同焊 接 顺 序 产 生的 残 余 变形 情 况进 行 了分 析 和探 讨 ， 并将 预 测 结 果 与 焊接 工 艺 试验 结 果进 行 了对 比 验证 ，二 者 吻 合 很 好 ．从 而 为研 究焊 接 顺 序 对 大 型 焊 接 结 构 变形 的影 响 提 供 了一 种 方 法 。 关 键 词 ： 残余 变形 ； “ 部一 体 ” 映 射 法 ； 数 值 仿 真 ；Ｓ Ｓ Ｌ 局 整 Ｙ ＷＥ Ｄ 中 图 分 类号 ：Ｔ ４ ４ Ｐ ５ Ｇ ０ ：Ｔ １ 文 献 标 识 码 ：Ｂ
１ ． １
“ 部一 局 整体 ”映射 方法
焊 接主要 是局 部应力 和应 变 的改 变 ，它们 的变化
导 致 了整体模 型变 形 。高温和材 料非 线性 出现在 焊缝 周 围很小 的 区域 内 ，塑性 应变 主要集 中在这个 相对 小 的范 围 内 。而 结构 的整体 变形是 由于焊缝 的局部 塑性 应变 导致 的 ，实 际 上整个 结构 的变形 可以看 成是弹性 的。因此 ，焊缝 的残余 塑性 应变 和应力模 拟 可以从 整 个结 构变 形计算 中分 离出来 。首先 在考虑 到 温度 、冶 金 、机 械方 面 的情 况下 ，对 细化 的焊缝 区三维实 体有 限元模 型进行 局部 塑性 应变计 算 ，然后再 把从局 部模 型得 到 的残余 塑 性 应变 和焊 缝 刚度 ，利用 “ 单 元 ” 宏 技 术转 换到 整体壳 单元 模型 中 ，然 后对结 构变形 作 出 预 测 ，这就是 “ 部一 局 整体 ”映射 方法 的主要 思想 。
基 于 “ 部 一 体 ＂ 映 射 法 的 焊 接 装 配 变 形 数 值 仿 真 局 整
李娅 娜 ，兆 文 忠 ，崔 晓 芳
（ ． 连 交 通 大学 机 械 工 程 学 院 ，辽 宁 大 连 １６ ２ ；２ 清 华 大 学 机 械 工 程 系 。北 京 １０ ８ ） １ 大 １０ ８ ． ０ ０ ４
积 收缩法等 ［ 。其 中经 验法 和解析法 对一些 简单 的焊
“ 部 一 体 ” 映 射 方 法 （ ｏ ａ －ｌｂ ｌ ｅｈ ｄ 和 局 整 Ｌ ｃｌＧｏ ａ ｍ ｔｏ ）
“ 单元 ”技 术 （ ｅＷｅ ｉｇＭａｒ Ｅｅ ｎ （ Ｅ 宏 ｔ ｌ ｎ ｃｏ ｌ ｈ ｄ ｍｅ ｔ ＷＭ ）
摘 要 ：焊接 的 非 平衡 加 热 、 冷 却 过 程 导 致 产 生焊 接 应 力 与 变形 ， 而焊 接 残余 变 形是 影 响 结 构 设 计 完 整性 、 制造 工 艺合 理 性 和 结 构使 用
可 靠性 的 关键 因 素 。 本 文基 于 “ 部一 体 ” 映射 法 ，模 拟 了 局部 模 型 为Ｔ 接 头 角焊 缝 的 局 部 塑 性 应 变 ，并 把 结 果 用 于 薄 壁 箱 形 梁 的 局 整 形
焊接是一 个牵 涉到 电弧物 理 、传热 、冶金 和力 学 的复 杂过程 ，准确 预知 焊接应 力 和残余 变形 的分 布规 律并加 以调 节和 控制相 当困难 。其 中 ，焊接 结构 残余 变形一 直是 困扰人们 的重要 问题 ，它 的存在不 仅造 成 了焊接结构形状变异 ，尺寸精度 下降和 承载能力 降低 ， 而且 也是造 成焊接结 构疲 劳强度 降低 的原 因之 一Ｅ。 １ ］ 目前 ，预测 结构 的焊接 变 形 方法 主 要 有经 验 法 、 解析 法 、热 弹 塑性 有 限元法 、固有应变 法 、线弹 性体
１ ． 技术 路线 ２
生产经 验上 建立 的假 设 条件为 基础 ，通 过优化 工艺来 改善焊后 应力 状态 的要求 。线 弹性体 积 收缩 法 假定线
性 热膨胀是 变 形的主 要驱 动力 ，可 以较为精 确 地预测
大 型焊接本 构模 型 ，但其精 确性 依赖 于焊缝 处 收缩 体
积 的计算精 度。因此 ，寻找一种 既能解决较 复杂 问题 ，
１ 仿 真策 略
接构件较为适用 ，对复杂 的构件 ，计 算起来 非常困难 。 热 弹塑性有 限元 法从原 理上 可 以解 决 复杂焊接 结 构 的 变形 问题 ，但需要 大容 量 的计 算 机 ，且 花费很 长 的运 算时 问 ，因而对 于大型 复杂 的焊接 结构 即使 可能也 是
不经 济 的。固有应 变 法是一种 能相 对 比较经 济地 预测 大型 复杂焊 接结构 变形 的方法 ，但 固有 应变法 是 以在
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ｔ ｈｏｇ） ｅ ｎ ｌ ｙ ，通 过计算 机 模拟 对 薄壁 箱形梁 进 行 了焊 ｃ ｏ 接 变形仿 真研究 ，同时在 改变焊 接顺 序的情 况下 ，得 到 了薄壁 箱形梁 的 一些变 形规律 ，同时将模 拟结果 与 试验情 况对 比分 析 ，二 者基 本一致 ，从 而为 大型焊 接
结构残 余 变形数 值模 拟提供 了一种 新 的数 值方法 。
基 金 项 目 ： 复杂 产 品 协 同设 计 、 仿 真 、优 化 一 体 化 平 台 研 究 开 发 及 其 应 用 ，国家 ８ ３ 目 （０ ６ ０ Ｚ ６ ） ６项 ２０ ＡＡ ４ １０
Ｗｅ ｉ ｅ ｈ ｏ ￣ ｏ． ｏ１ Ｆ ｂ ２ ０ ｌｎ ｄ ￣Ｔ ｃ ｎ ｌ ｖ Ｖ １ ７ Ｎ ． ｏ ３ ｅ．０８
文 章 编 号 ：０ ２ ０ ５ ２ ０ ） １ ０ ４ － ４ １ ０ — ２ Ｘ（０ ８ ０ － ０ ３ ０
・ 接 质 量控 制 与 管 理 ・ ４ 焊 ３
又 比较经 济地预测焊接变 形的方法就显得 十分 有意义 。 本文 使 用Ｓ Ｓ Ｌ Ｙ ＷＥ Ｄ和Ｐ Ｍ— Ｓ Ｅ Ｌ 软 件基 于 Ａ Ａ Ｓ ＭＢ Ｙ
收稿 日期 ：２主要 分３ ： 步 第 １ ，局 部 模 型模 拟 ：在 考虑 所有 焊 接耦 合 现 步 象 的条 件下 ，对 细化 的局部模 型进行 热弹 塑性计算 。
焊 接 装 配 变 形 数 值 仿 真 ． 同时 对 不 同焊 接 顺 序 产 生的 残 余 变形 情 况进 行 了分 析 和探 讨 ， 并将 预 测 结 果 与 焊接 工 艺 试验 结 果进 行 了对 比 验证 ，二 者 吻 合 很 好 ．从 而 为研 究焊 接 顺 序 对 大 型 焊 接 结 构 变形 的影 响 提 供 了一 种 方 法 。 关 键 词 ： 残余 变形 ； “ 部一 体 ” 映 射 法 ； 数 值 仿 真 ；Ｓ Ｓ Ｌ 局 整 Ｙ ＷＥ Ｄ 中 图 分 类号 ：Ｔ ４ ４ Ｐ ５ Ｇ ０ ：Ｔ １ 文 献 标 识 码 ：Ｂ
１ ． １
“ 部一 局 整体 ”映射 方法
焊 接主要 是局 部应力 和应 变 的改 变 ，它们 的变化
导 致 了整体模 型变 形 。高温和材 料非 线性 出现在 焊缝 周 围很小 的 区域 内 ，塑性 应变 主要集 中在这个 相对 小 的范 围 内 。而 结构 的整体 变形是 由于焊缝 的局部 塑性 应变 导致 的 ，实 际 上整个 结构 的变形 可以看 成是弹性 的。因此 ，焊缝 的残余 塑性 应变 和应力模 拟 可以从 整 个结 构变 形计算 中分 离出来 。首先 在考虑 到 温度 、冶 金 、机 械方 面 的情 况下 ，对 细化 的焊缝 区三维实 体有 限元模 型进行 局部 塑性 应变计 算 ，然后再 把从局 部模 型得 到 的残余 塑 性 应变 和焊 缝 刚度 ，利用 “ 单 元 ” 宏 技 术转 换到 整体壳 单元 模型 中 ，然 后对结 构变形 作 出 预 测 ，这就是 “ 部一 局 整体 ”映射 方法 的主要 思想 。
基 于 “ 部 一 体 ＂ 映 射 法 的 焊 接 装 配 变 形 数 值 仿 真 局 整
李娅 娜 ，兆 文 忠 ，崔 晓 芳
（ ． 连 交 通 大学 机 械 工 程 学 院 ，辽 宁 大 连 １６ ２ ；２ 清 华 大 学 机 械 工 程 系 。北 京 １０ ８ ） １ 大 １０ ８ ． ０ ０ ４
积 收缩法等 ［ 。其 中经 验法 和解析法 对一些 简单 的焊
“ 部 一 体 ” 映 射 方 法 （ ｏ ａ －ｌｂ ｌ ｅｈ ｄ 和 局 整 Ｌ ｃｌＧｏ ａ ｍ ｔｏ ）
“ 单元 ”技 术 （ ｅＷｅ ｉｇＭａｒ Ｅｅ ｎ （ Ｅ 宏 ｔ ｌ ｎ ｃｏ ｌ ｈ ｄ ｍｅ ｔ ＷＭ ）
摘 要 ：焊接 的 非 平衡 加 热 、 冷 却 过 程 导 致 产 生焊 接 应 力 与 变形 ， 而焊 接 残余 变 形是 影 响 结 构 设 计 完 整性 、 制造 工 艺合 理 性 和 结 构使 用
可 靠性 的 关键 因 素 。 本 文基 于 “ 部一 体 ” 映射 法 ，模 拟 了 局部 模 型 为Ｔ 接 头 角焊 缝 的 局 部 塑 性 应 变 ，并 把 结 果 用 于 薄 壁 箱 形 梁 的 局 整 形
焊接是一 个牵 涉到 电弧物 理 、传热 、冶金 和力 学 的复 杂过程 ，准确 预知 焊接应 力 和残余 变形 的分 布规 律并加 以调 节和 控制相 当困难 。其 中 ，焊接 结构 残余 变形一 直是 困扰人们 的重要 问题 ，它 的存在不 仅造 成 了焊接结构形状变异 ，尺寸精度 下降和 承载能力 降低 ， 而且 也是造 成焊接结 构疲 劳强度 降低 的原 因之 一Ｅ。 １ ］ 目前 ，预测 结构 的焊接 变 形 方法 主 要 有经 验 法 、 解析 法 、热 弹 塑性 有 限元法 、固有应变 法 、线弹 性体
１ ． 技术 路线 ２
生产经 验上 建立 的假 设 条件为 基础 ，通 过优化 工艺来 改善焊后 应力 状态 的要求 。线 弹性体 积 收缩 法 假定线
性 热膨胀是 变 形的主 要驱 动力 ，可 以较为精 确 地预测
大 型焊接本 构模 型 ，但其精 确性 依赖 于焊缝 处 收缩 体
积 的计算精 度。因此 ，寻找一种 既能解决较 复杂 问题 ，
１ 仿 真策 略
接构件较为适用 ，对复杂 的构件 ，计 算起来 非常困难 。 热 弹塑性有 限元 法从原 理上 可 以解 决 复杂焊接 结 构 的 变形 问题 ，但需要 大容 量 的计 算 机 ，且 花费很 长 的运 算时 问 ，因而对 于大型 复杂 的焊接 结构 即使 可能也 是
不经 济 的。固有应 变 法是一种 能相 对 比较经 济地 预测 大型 复杂焊 接结构 变形 的方法 ，但 固有 应变法 是 以在
