基于InteWeld的焊接模拟仿真_杨艳.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER基于InteWeld的焊接模拟仿真杨艳1，2，徐斌荣1，2，王海峰1，2，宫月1，3，张林森1，2，付堃1，2（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡 721002；2.中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司，陕西 宝鸡 721002；3.宝鸡石油机械有限责任公司 自动化设备分公司，陕西 宝鸡 721002）0引言焊接技术是目前应用最广泛的材料连接方式之一，同时也是历史非常悠久的制造工艺1。随着时代的发展，工程师们逐渐意识到焊接质量的好坏关乎钢结构产品制造的成败2。如何高效地提升焊接质量是工艺工程师们追求解决的核心。而现阶段，随着计算机技术的发展，焊接模拟仿真技术应运而生，它的发展对生产制造具有十分重要的意义3。焊接三维仿真技术在我公司有广泛的应用空间，随着我公司各类新产品的增加，对结构件焊接的应力、变形、强度提出更高的要求。目前，已经多次遇到相关问题，按照以往的工艺设计经验生产效率低下，因此需要采用先进的分析软件加强工艺设计手段，缩短产品的研发制造周期4。本文选取石油钻机自动化设备中的支撑臂进行焊接和模拟仿真对比分析。由于其结构特点为长杆型，焊接时热量集中，结构具有一定的拘束度，且板厚较薄，焊后易变形，因此需要采用合理的焊接工艺及措施控制焊接变形。本文对支撑臂进行三维建模、有限元网格划分，并利用软件InteWeld进行焊接模拟仿真。将仿真计算结果与实际焊接变形量进行对比，验证仿真结果的可靠性，可为后续使用此项技术研究焊接变形提供重要的依据和可靠的数据支撑。1支撑臂的焊接以石油钻机自动化设备中的支撑臂作为焊接生产实例。支撑臂是典型的长杆结构，其三维模型如图1所示。其特点为：结构不规则，焊缝型式多样，板厚较薄（=68 mm）、结构易变形。1.1焊接方法及材料套管、的材料为35钢，臂体的材料为Q355D。确定使用的焊丝型号为ER50-6。焊接方法为混合气体保护焊，保护气体为80%Ar+20%CO2。1.2焊接规范由于35钢属于典型的中碳钢，在母材近缝区易产生低塑性的淬硬组织，具有一定的淬硬倾向，焊接性稍差。因此，焊前、焊后均要采取一定的措施防止产生裂纹。套管与臂体焊接前应预热至150230，层间温度应不低于预热温度，焊后加热至350，保温10 min。Q355D属于低合金钢，焊接性良好，因此，臂体焊接无需此步骤。施焊时采用的焊接规范参数如表1所示。支撑臂施焊过程如图2所示。1.3变形测量焊接24 h后测量支撑臂的变形，挑选3个易变形点进摘要：主要研究了基于InteWeld的焊接模拟仿真技术。首先，采用合理的焊接工艺及措施，对石油钻机自动化设备中的支撑臂进行焊接。其次，以设置相同的焊接工艺和控制措施为前提，使用软件InteWeld对支撑臂进行焊接虚拟仿真，获得零件的整体变形结果。最后，对比实际生产测量值与软件仿真计算结果，验证使用InteWeld进行焊接模拟仿真所获结果的准确性，为后续该项技术的推广提供依据。关键词：支撑臂；焊接仿真；网格划分；焊接变形中图分类号:TG 457.5文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08012703Welding Simulation Based on InteWeldYANG Yan1,2,XU Binrong1,2,WANG Haifeng1,2,GONG Yue1,3,ZHANG Linsen1,2,FU Kun1,2(1.Baoji Oilfield MachineryCo.,Ltd.,Baoji 721002,China;2.CNPCNational Oil and Gas DrillingEquipment EngineeringTechnologyResearchCenter Co.,Ltd.,Baoji 721002,China;3.Automation Equipment Branch,Baoji 721002,China)Abstract:This paper mainly studies the welding simulation technology based on InteWeld.Firstly,reasonable weldingtechniques and measures are adopted to weld the support arm in the automation equipment of the oil drilling rig.Secondly,on the premise of setting the same welding process and control measures,the software InteWeld is used to perform weldingvirtual simulation of the support arm to obtain the overall deformation result of the part.Finally,comparing the actualproduction measurement value with the software simulation calculation results,it proves the accuracy of the weldingsimulation using InteWeld,and provides a basis for the subsequent promotion of this technology.Keywords:support arm;welding simulation;meshing;welding deformation图1支撑臂结构图1.套管 2.臂体 3.套管127机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER（下转第131页）行开档尺寸的测量5，如图3所示。根据图3的测量结果可以看出，焊接后支撑臂的C处变形量最大，A处变形量小。2焊接模拟仿真2.1模型简化与网格划分使用UG对支撑臂进行三维建模，需对模型进行必要的简化，如去掉小孔、倒角等6。然后对支撑臂进行有限元网格划分，考虑到零件较大，因此网格划分时，对焊缝及热影响区的网格进行细化7，远离焊缝区的母材网格尺寸设置略粗，网格划分如图4所示。图形网格总数约为151万，最小网格精度为2 mm。2.2参数设置将网格模型导入到InteWeld软件中。随后，将人员全程跟踪施焊过程记录的数据（包括焊接工艺参数、施焊顺序、施焊层道情况、预热及后热措施、防变形工艺撑8-10），设置在支撑臂的焊接仿真计算中9。2.3焊接接头仿真支撑臂焊缝形式多样，为了提高焊接仿真的精确性，需从支撑臂中导出接头建立多个焊接接头模块11，如图5所示。焊缝形式既有坡口焊缝，又有角焊缝。坡口深为6 mm，角焊缝焊脚尺寸为4、5 mm。接头总网格数为30 000100 000不等，最小的 网 格 尺 寸 为 0.5mm。将接头计算结果导入总体结构进行仿真计算12。焊缝采用多层多道焊接13，焊层设置如果6所示。2.4仿真计算结果支撑臂焊接仿真计算总用时约42h。焊接变形结果 如 图 7所示。从变形结果可以看出，支撑臂的丫子开口端头变形量最大，两侧翼板向内收缩。丫子尾端变形量小，丫子中段基本不变。3数据对比分析将 仿 真计算结果和实际生产数据进行对比，如表2所示。从 表 2 可看出，支撑臂的仿真模拟总变形趋势与生产实际测量的变形趋势一致，整体向内侧收缩。二者在数值上稍有差别。仿真性最优点在B处，仿真度达到83%。3处测量值平均仿真度为77%，具有稳定可靠的仿真性。4结论本文对支撑臂采用合理的焊接工艺及措施进行焊接，焊后测量其变形值。并使用焊接虚拟仿真软件InteWeld对支撑臂进行仿真计算。1）当采用相同的焊接工艺和控制措施施焊时，软件模拟仿真计算的零件变形情况和实际生产测量数值变化趋势一致14，尚存在一定的差异性，最优处仿真度达到83%。平均仿真度达到77%。2）证明了采用InteWeld仿真软件对支撑臂的焊接模拟仿真计算结果是准确可靠的。验证了仿真计算工艺参数、边界条件等的设置是正确可行的15。3）基于InteWeld的焊接仿真技术对焊接结构件的变形预测具有较强的实际参考意义。参考文献1丁大状.基于仿真动臂焊接变形的控制方法J.现代制造技术与装备,2021,57(10):184-186.2李雪罡,郝悦,田恺.仿真技术在焊接工艺中的应用J.科学技术创新,2019(16):164-165.3王栎宁.Simufact.welding对压圈焊接变形分析J.上海大中型电机,2017(3):10-13.表1焊接规范参数施焊层道电流/A电压/V焊丝直径/mm焊接速度/（cm min-1）打底焊22025028301.22228填充焊24029028301.22030盖面焊23026028301.22030图3测量支撑臂变形图2施焊支撑臂图4支撑臂网格划分图5支撑臂的焊接接头模型图6多层多道焊接图7焊接变形结果表2实际位移与仿真位移数据对比参数位置ABC实际位移变化值/mm-1.100-2.100-3.700仿真位移变化值/mm-0.898-1.744-2.442差值/mm0.2020.3561.258128机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER（上接第128页）4李晓东.铝合金薄板MIG焊焊接变形仿真预测的工程应用J.焊接学报,2014,35(2):105-107.5王良涛.基于形状精度的车门焊接仿真分析研究D.长沙:湖大大学,2014:57.6AYGUL M.Fatigue Analysis of Welded Structures Using theFinite Element Method D.Gothenburg,Sweden:ChalmersUniversity of Technology,2012.7佚名.ESI发布2009版焊接模拟方案J.国防制造技术,2009(6):72.8杜坤,高海洲,周景,等.轿车车门焊接精度调试方法研究J.合肥工业大学学报(自然科学版),2009,32(增刊1):112-114,119.9吴言高,李午申,邹宏军,等.焊接数值模拟技术发展现状J.焊接学报,2002,23(3):89-92.10YAGHI A H,HYDE T H,BEECKER A A,et al.Residual StressSimulation in Welded Section of P91 PipesJ.Journal ofMaterials Processing Technology,2005,167(2/3):480-487.11丁林,周永涛,李明喜.T型接头激光焊接的温度场和应力场的数值模拟J.安徽工业大学学学报,2007,24(4):384-388.12张建,周训谦.基于Simufact的Q345焊接热循环主要参数研究J.电焊机,2015,45(9):167-170.13高耀东,何建霞,乔云芳.焊接过程有限元分析J.北京大学学报(自然科学版),2010,46(6):1007-1009.14陈霁恒,章炜,胡金成.船体焊接残余应力的数值分析J.舰船科学技术,2009,31(8):51-54.15罗宇,朱枳锋,鲁华益.船用大型焊接结构的焊接变形预测实例J.造船技术,2005(3):34-37.（编辑马忠臣）作者简介：杨艳（1984），女，硕士，高级工程师，从事钢结构焊接工艺研究工作。收稿日期：2022-08-033.2拉紧螺栓计算1）总夹紧力PA=P0+Py。其中，Py=Pypfmax/100。式中：P0为消除配合间隙所需夹紧力；Py为pf=100 MPa时所需的有效夹紧力。2）拉紧螺栓选择：PVPA。式中：PV为螺栓规格对应的夹紧力，可查机械设计手册相关参数表。4设计实例若某设备需要45 kW电动机和传动比为20的减速机作为驱动总成，此处通过单驱动和本方案的四驱方式的设计对比，来分析一下外形尺寸的差别。单驱动采用标准的三相异步四极45 kW电动机，减速机采用两级硬齿面减速机ZLY1805，四驱动设计采用单输入电动机功率为12 kW，总功率为48 kW。实际所得单驱动的尺寸为1370 mm（长）795 mm（宽）490 mm（高）,四驱动的尺寸为706 mm（长）520 mm（宽）445 mm（高），如图6所示。由此可见，总长度减小了接近一半，宽度和高度也有所减小。5结语针对常规齿轮传动系统的单驱动方式空间尺寸较大的问题，本文将功率分流引入齿轮箱设计，采用四驱动的方式来替代单驱动方式，同时4个小电动机仅保留定子和转子，免去了电动机的外壳，将4套定子和转子安装在一个独立的箱体内，箱体内部设有冷却通道，采用水冷的方式进行冷却。与常用的单电动机驱动齿轮传动系统相比，四驱动的设计具有以下优点：1）通过4个功率相等的电动机驱动，单个电动机功率及转矩仅为单驱动的1/4，相应的齿轮输入转矩也仅为原来的1/4，同时第二级小齿轮传动的转矩为原来的1/2，因此极大地降低了齿轮箱的体积和质量；2）4个驱动电动机仅保留了定子和转子，不需要电动机外壳和风扇等部件，体积和质量大大降低；3）采用循环水冷却系统，与常规的风冷却系统相比，冷却效果更好，能够更加有效地保护电动机，极大地降低电动机温度，提高电动机的效率；4）与传统的单驱动系统相比，集成的整机不仅外形尺寸大大减小，而且需要的安装底座也相应地减小，同时，其安装难度也相对降低；5）系统通过变频器的控制满足不同工况对输出功率的变化需求，从而控制不同数量的电动机，特别是重载启动的工况，启动力矩要求很大，而启动完成后，进入正常工作状态时所需的输入转矩要小很多，这样可以在启动阶段和正常工作阶段采用不同数量的电动机进行工作，实现节能减排的功能。参考文献1齿轮手册编委会.齿轮手册:上册M.2版.北京:机械工业出版社,2006.2傅则绍.机构设计M.北京:石油大学出版社,1993.3黄国治.中小旋转电机设计手册M.北京:中国电力出版社,2013.4成大先.机械设计手册:第2卷M.北京:化学工业出版社,2008.5圆柱齿轮减速机:JB/T 8853-2001S.（编辑邵明涛）作者简介：汪永海（1978），男，硕士，高级工程师，主要从事机电系统设计研发工作。收稿日期：2022-09-08图6两种驱动方式外形尺寸图（a）单驱动尺寸（b）四驱动尺寸7954901370706520445131