张洪才 基于ANSYS的焊接接头抗冲击的特性研究
本文首先建立了焊接接头的三区非均匀焊接接头的力学模型，并利用ansys研究了焊接接头在不同载荷作用下的力学响应，得出了阶跃载荷产生的破坏力要大于正弦载荷产生的破坏力，因此要对阶跃载荷加以控制。这对焊接过程控制提供了一定的指导意义。
1 引言
焊接接头是焊接结构的重要组成部分，其性能的好坏与焊接结构的性能和安全等方面有着直接的关系。焊接一般是通过高温使金属连接起来的，所形成的焊接接头由焊缝金属、热影响区和母材所组成。焊接接头是一个不均匀体，表现为:外形存在缺陷和截面变化，金属组织结构和化学成份不均匀，结构内部存在较高的残余应力及应力集中状况。
由于焊接接头存在几何上、力学上、化学成份以及组织结构上的不连续性，其在冲击载荷作用下，焊接接头各区域的动态力学性能也是有差异的。有关研究表明:在冲击加载条件下，焊接接头的应力应变本构关系呈现非线性，而且随着应变率的增加，其应力应变本构关系非线性现象越明显;同时在冲击加载条件下，焊接接头的整体强度高于母材和焊缝，随着应变率的增加，焊接接头的变形出现流变行为，屈服应力滞后倾向增加，低组配焊接接头屈服应力滞后倾向较高组配焊接接头明显，高组配焊接接头在冲击载荷下表现为高强度、高硬度，但脆性倾向增强。
2 力学模型建立
如图1所示，焊接接头的模型由三部分组成，即，母材区、热影响区、焊缝区；并且在焊缝区和热影响区的界面上存在着一个长度为 的预制裂纹。母材区的宽度为 和 、热影响区的宽度为 和 、焊缝区的宽度为 。三个区域的几何尺寸如表1所示，材料性能参数如表2所示。
图1 焊接接头的力学模型
表1 焊接接头的几何参数
表2 焊接接头的材料性能
图2 焊接接头的有限元模型 图3 焊接接头裂纹尖端的有限元模型
本文采用plane183单元，该单元具有8个节点，二次位移差值函数；并且在裂纹尖端处采用奇异单元进行网格划分。为了捕捉到应力波的传播过程，单元的网格应该密一些，特别是应力变化的剧烈地方。
图4 母材区等效应力与等效应变关系 图5 热影响区等效应力与等效应变关系
本文采用双线性等向强化模拟，来模拟焊接接头的塑性力学行为。图4和图5给出了母材区和热影响区的等效应力和等效应变关系。
3 计算及讨论
本文的边界条件：固定左边界。在实际工程中，构件经常受到两类载荷：阶跃载荷和正弦载荷。如汽车上在公路上行使时，车辆上的焊接连接处就受到正弦载荷；汽车在穿越沟坎时，车辆上的焊接连接处就会受到阶跃载荷冲击。图6和图7给出了这两类载荷的图。本文计算中，在模型的右边界施加这两类载荷。
图6 阶跃载荷图 图7 正弦载荷图
为了捕捉到应力波的传播效应，取计算时间为2e-4s，计算时间间隔为5e-6。不同时刻的计算结果如下图所示。
图8 1e-5s时阶跃载荷作用下的等效应力云图 图9 1e-5s时正弦载荷作用下的等效应力云图
图10 4e-5s时阶跃载荷作用下的等效应力云图 图11 4e-5s时正弦载荷作用下的等效应力云图
图12 1.5e-4s时阶跃载荷作用下的等效应力云图 图13 1.5e-4s时正弦载荷作用下的等效应力云图
图14 阶跃载荷作用下裂纹尖端等效应力随时间变化的规律 图15 正弦载荷作用下裂纹尖端等效应力随时间变化的规律
图16 阶跃载荷作用下裂纹尖端等效应力率随时间变化的规律 图17 正弦载荷作用下裂纹尖端等效应力率随时间变化的规律
图8到图13给出了三个时刻时，阶跃载荷和正弦载荷作用下的焊接接头的力学响应。从以上图中可以看出：应力波从焊接接头的右端传向左端，并且当应力波传到左端后发生波的反射和传过去的应力波发生叠加。
正弦作用下的焊接接头力学响应小于阶跃载荷作用下的焊接接头的力学响应。在应力波传导的后期，阶跃载荷作用下的焊接接头应力发生叠加且持续增加；而在正弦力作下在传导后期应力波发生叠加且减小。
因为裂纹尖端为应力集中处，所以选取该处作为两种载荷作用下应力响应。图14和图15给出了两种载荷作用下焊接接头裂纹尖端处等效应力随时间变化规律。由两图可知：在阶跃载荷作用下裂纹尖端处的等效应力呈振荡性上升，在正弦载荷作用下裂纹尖端处的等效应力先增大后减小且峰值小于阶跃载荷的最大应力。也就是在实际工程，阶跃载荷产生的破坏力要大于正弦载荷产生的破坏力，因此要对阶跃载荷加以控制。图16和图17给出了裂纹尖端处等效应力变化率随时间的关系。由两图可知：阶跃载荷作用产生的裂纹尖端应力变化率要比正弦载荷作用下的裂纹尖端应力变化率剧烈。
4 讨论
通过以上分析和计算可以得出以下结论：
（1）虽然载荷峰值相同，但不同的作用方式对焊接接头的影响差别是很大的。
（2）在实际工程，阶跃载荷产生的破坏力要大于正弦载荷产生的破坏力，因此要对阶跃载荷加以控制。
（3）应力波从焊接接头的右端传向左端，并且当应力波传到左端后发生波的反射和传过去的应力波发生叠加。
