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ANSYS Mechanical在焊接仿真中的應用 上海湃�？萍� CAE事業(yè)部 [ 摘 要 ] 焊接作為一個(gè)牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)等各學(xué)科的復雜過(guò)程，其涉及到的傳熱過(guò)程、金屬的融化和凝固、冷卻時(shí)的相變、焊接應力和變形等是企業(yè)制造部門(mén)和設計人員關(guān)心的重點(diǎn)問(wèn)題，采用傳統的經(jīng)驗方式對于厚鋼板的焊接等特殊工藝無(wú)法進(jìn)行合理的工藝設計，因此本文針對焊接數值模擬的基本理論進(jìn)行了闡述，同時(shí)對于焊接仿真與ANSYS軟件的結合提出了建議，并結合實(shí)際情況詳細介紹了ANSYS軟件進(jìn)行焊接仿真的具體應用技巧，通過(guò)采用仿真方式進(jìn)行模擬，對傳熱過(guò)程、焊后應力場(chǎng)進(jìn)行模擬，用來(lái)幫助確定焊接時(shí)結構和材料的最佳設計、工藝方法和焊接參數等。 [ 關(guān)鍵詞 ] 熱源模型 熱彈塑性有限元法 生死單元 ANSYS 1 前言 焊接作為現代制造業(yè)必不可少的工藝，在材料加工領(lǐng)域一直占有重要地位。焊接是一個(gè)涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)等各學(xué)科的復雜過(guò)程，其涉及到的傳熱過(guò)程、金屬的融化和凝固、冷卻時(shí)的相變、焊接應力和變形等是企業(yè)制造部門(mén)和設計人員關(guān)心的重點(diǎn)問(wèn)題。焊接過(guò)程中產(chǎn)生的焊接應力和變形，不僅影響焊接結構的制造過(guò)程，而且還影響焊接結構的使用性能。這些缺陷的產(chǎn)生主要是焊接時(shí)不合理的熱過(guò)程引起的。由于高能量的集中的瞬時(shí)熱輸入，在焊接過(guò)程中和焊后將產(chǎn)生相當大的殘余應力和變形，影響結構的加工精度和尺寸的穩定性。因此對于焊接溫度場(chǎng)合應力場(chǎng)的定量分析、預測有重要意義。 傳統的焊接溫度場(chǎng)和應力測試依賴(lài)于設計人員的經(jīng)驗或基于統計基礎的半經(jīng)驗公式，但此類(lèi)方法帶有明顯的局限性，對于新工藝無(wú)法做到前瞻性的預測，從而導致實(shí)驗成本急劇增加，因此針對焊接采用數值模擬的方式體現出了巨大優(yōu)勢。 ANSYS作為世界知名的通用結構分析軟件，提供了完整的分析功能，完備的材料本構關(guān)系，為焊接仿真提供了技術(shù)保障。文中以ANSYS為平臺，闡述了焊接溫度場(chǎng)仿真和熱變形、應力仿真的基本理論和仿真流程，為企業(yè)設計人員提供了一定的參考。 2 焊接數值模擬理論基礎 焊接問(wèn)題中的溫度場(chǎng)和應力變形等最終可以歸結為求解微分方程組，對于該類(lèi)方程求解的方式通常為兩大類(lèi)：解析法和數值法。由于只有在做了大量簡(jiǎn)化假設，并且問(wèn)題較為簡(jiǎn)單的情況下，才可能用解析法得到方程解，因此對于焊接問(wèn)題的模擬通常采用數值方法。在焊接分析中，常用的數值方法包括：差分法、有限元法、數值積分法、蒙特卡洛法。 差分法：差分法通過(guò)把微分方程轉換為差分方程來(lái)進(jìn)行求解。對于規則的幾何特性和均勻的材料特性問(wèn)題，編程簡(jiǎn)單，收斂性好。但該方法往往僅局限于規則的差分網(wǎng)格（正方形、矩形、三角形等），同時(shí)差分法只考慮節點(diǎn)的作用，而不考慮節點(diǎn)間單元的貢獻，常常用來(lái)進(jìn)行焊接熱傳導、氫擴散等問(wèn)題的研究。 有限元法：有限元法是將連續體轉化為由有限個(gè)單元組成的離散化模型，通過(guò)位移函數對離散模型求解數值解。該方法靈活性強，適用范圍廣，因此廣泛地應用于焊接熱傳導、焊接熱彈塑性應力、變形和焊接結構的斷裂分析等領(lǐng)域。 數值積分法：該方法采用辛普生法則等方式對很難求得原函數的問(wèn)題進(jìn)行積分求解，通過(guò)該方法避免了求解復雜的原函數問(wèn)題，同時(shí)使用較少的點(diǎn)即可獲得較高的精度。 蒙特卡洛法：該方法基于隨機模擬技術(shù)，對隨機過(guò)程的問(wèn)題進(jìn)行原封不動(dòng)的數值模擬。 焊接模擬通�；谝陨蠋追N理論對焊接熱傳導、熱彈塑性應力等問(wèn)題進(jìn)行模擬，而合理的選擇熱源函數和計算焊后應力等問(wèn)題則需要設計人員選擇合適的數學(xué)模型。 2.1 焊接數值模擬常用熱源模型 焊接熱過(guò)程是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素之一，因此焊接熱過(guò)程的準確模擬，是準確進(jìn)行焊接應力變形分析的前提。早期對于焊接熱過(guò)程的解析，前人做了大量的理論研究工作，提出了多種熱源分布模型： 集中熱源：Rosenthai-Rykalin公式 該方法作為典型的解析方法，認為熱源集中于一點(diǎn)，此方式僅對于研究區域遠離熱源時(shí)較為適用，同時(shí)此方法無(wú)法描述熱源的分布規律，對于熔合區和熱影響區影響較大。 平面分布熱源：高斯分布熱源、雙橢圓分布熱源 高斯分布熱源 高斯熱源分布假設焊接熱源具有對稱(chēng)分布的特點(diǎn)，在低速焊接時(shí)，效果良好，焊接速度較高時(shí)，熱源不再對稱(chēng)分布，誤差較大。此方法適合于電弧挺度較弱及電弧對熔池沖擊較小的情況。 高斯分布雖然給出了熱源分布，但沒(méi)有考慮焊槍移動(dòng)對熱源分布的影響。實(shí)際上，由于焊縫加熱和冷卻的速度不同，因此電弧前方的加熱區域比后方的加熱區域小。 雙橢圓分布熱源 體積分布熱源：半橢球分布熱源、雙橢球分布熱源 半橢球分布熱源 對于熔化極氣體保護電弧焊或高能束流焊，焊接熱源的熱流密度不光作用在工件表面上，也沿工件厚度方向作用。此時(shí)，應該將焊接熱源作為體積分布熱源。為了考慮電弧熱流沿工件厚度方向的分布，可以用橢球體模式來(lái)描述 實(shí)際上，由于電弧沿焊接方向運動(dòng)，電弧熱流是不對稱(chēng)分布的。由于焊接速度的影響，電弧前方的加熱區域要比電弧后方的��；加熱區域不是關(guān)于電弧中心線(xiàn)對稱(chēng)的單個(gè)的半橢球體，而是雙半橢球體，并且電弧前、后的半橢球體形狀也不相同 雙橢球分布熱源 2.2 焊接變形模擬常用方法 由焊接產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應力應變過(guò)程及其隨后出現的殘余應力和殘余變形，是導致焊接裂紋和接頭強度與性能下降的重要因素，因此針對焊接變形與殘余應力的計算發(fā)展出了以下幾種理論： 解析法：一維殘余塑變解析法 該方法以焊接變形理論為基礎，確定焊接接頭收縮的縱向塑變與焊接工藝參數、焊接條件的關(guān)系，需要大量經(jīng)驗積累，此方法對規則等截面的梁型結構，較為適用 固有應變法：固有應變可以看成是殘余應力的產(chǎn)生源 焊接時(shí)的固有應變包括包括塑性應變、溫度應變和相變應變。焊接構件經(jīng)過(guò)一次焊接熱循環(huán)后，溫度應變?yōu)榱�，固有應變就是塑性應變和相變應變殘余量之和。焊接時(shí)，固有應變存在于焊縫及其附近，因此了解固有應變的分布規律就能僅用一次彈性有限元計算來(lái)預測殘余應力大小及結構變形，但此方法同樣著(zhù)重與焊后結構的變形，屬于近似方法，沒(méi)有考慮整個(gè)焊接傳熱過(guò)程 熱彈塑性有限元法：記錄焊接傳熱過(guò)程，描述動(dòng)態(tài)過(guò)程的應力和變形 熱彈塑性有限元法首先進(jìn)行焊接熱過(guò)程分析，得到焊接結構瞬態(tài)溫度場(chǎng)，再以此為結果，進(jìn)行焊接應力和變形計算。由于該計算為非線(xiàn)性計算過(guò)程，因此計算量大，一般用來(lái)研究焊接接頭的力學(xué)行為，而不用來(lái)進(jìn)行大型復雜結構的整體研究 3 焊接仿真案例 3.1 基于A(yíng)NSYS Workbench平臺的焊接仿真 針對如下部件采用激光焊，以ANSYS Workbench為平臺，模擬該模型的溫度場(chǎng)變化和應力場(chǎng)變化情況。 ANSYS Workbench作為統一的多場(chǎng)耦合分析平臺，支持數據協(xié)同，因此在Workbench中建立該焊接分析的耦合項目，如下圖所示。 在本例中，僅以說(shuō)明焊接仿真流程為例，因此材料假定為線(xiàn)彈性結構鋼，在EngineerData中輸入材料參數如下： ANSYS Workbench以ANSYS Meshing為基礎對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于此模型中的兩個(gè)焊接件和焊縫均以六面體方式進(jìn)行劃分，除此之外，軟件還提供了大量的size function、局部控制等功能，針對不同特征的幾何模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。 以Workbench平臺以基礎對焊接過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)熱分析需要用到基于A(yíng)NSYS Workbench開(kāi)發(fā)的Moving_Heat_Flux插件。該插件嵌入在Workbench界面中，提供了以平面高斯熱源法為基礎的移動(dòng)熱源分布方式，在該插件中用戶(hù)可以指定焊槍移動(dòng)速度、焊接電流、功率，焊接時(shí)間等參數。除此之外，進(jìn)行傳熱過(guò)程分析，還需要輸入瞬態(tài)熱分析所需的其他邊界條件如Convection等。此案例中輸入的焊接相關(guān)參數如下所示： 針對此類(lèi)大規模仿真問(wèn)題，建議使用HPC高性能計算，可以充分發(fā)揮計算機硬件性能，大幅度提高求解效率。最終針對該參數下的焊接瞬態(tài)熱分析結果如下： 基于瞬態(tài)熱分析之上，可以進(jìn)行焊后應力分析。通過(guò)前述建立的ANSYS Workbench的耦合分析流程，通過(guò)import load方式將熱分析溫度場(chǎng)傳遞給結構場(chǎng)進(jìn)行應力分析。 同時(shí)根據實(shí)際工況對該構件施加約束，進(jìn)行應力分析，最終得到某一時(shí)刻應力云圖如下所示： 3.2 基于A(yíng)NSYS經(jīng)典界面的焊接仿真 如前所述，在以Workbench為平臺進(jìn)行焊接仿真時(shí)存在諸多限制，例如無(wú)法選擇其他形式的熱源模型，因此用戶(hù)可以基于A(yíng)NSYS經(jīng)典版進(jìn)行焊接仿真�；贏(yíng)NSYS經(jīng)典版進(jìn)行焊接仿真時(shí)，可以以命令流的方式進(jìn)行，將焊接參數以參數方式讀入，對于優(yōu)化焊接分析，十分方便。 本例中，焊接溫度場(chǎng)模擬采用焊板尺寸為200mmX200mmX6mm，試件材料為Q235A，材料參數如下表所示。為保證焊透，兩塊鋼板開(kāi)45°坡口。焊接方式采用電弧焊，焊接參數為：焊接電流180A，電弧電壓20V，焊接速度4.8mm/s，焊接熱輸入0.75kJ/mm，焊接效率η=0.825，結構與空氣的換熱系數為15W/(m^2*℃)。 在A(yíng)NSYS經(jīng)典版中建立該構件的幾何模型，采用solid70，建立好的模型如下圖所示： 通過(guò)MP命令建立完整的材料參數表，如下圖所示： 通過(guò)esize等命令，對該模型進(jìn)行局部網(wǎng)格控制，生成六面體網(wǎng)格，并達到較高的網(wǎng)格質(zhì)量。有限元模型如下： 本例中同樣采用高斯熱源方式進(jìn)行模擬，相關(guān)焊接工藝以參數方式表達，為后期優(yōu)化提供基礎，典型的命令流如下： 對該模型底部施加固定約束，根據APDL中設定的求解參數進(jìn)行迭代計算，迭代曲線(xiàn)如圖所示： 經(jīng)過(guò)求解計算后可以得到該焊接件的溫度場(chǎng)分布云圖，如下圖提出的某時(shí)刻溫度場(chǎng)分布云圖： 4 總結 通過(guò)以上介紹，以ANSYS軟件為基礎可以方便的進(jìn)行焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)仿真，目前在Workbench中僅支持以插件的形式進(jìn)行焊接仿真，并且只能考慮平面高斯熱源的熱源分布方式，如需考慮其他方式的熱源方式，需要以ANSYS經(jīng)典版為基礎進(jìn)行APDL編程，除此之外，用戶(hù)還可以采用生死單元的方式進(jìn)行焊接仿真，需要注意的是，生死單元的方式即通過(guò)控制單元生死的方式來(lái)模擬焊縫填充過(guò)程，采用該方式可以模擬較為復雜的熱輸入情況，由于熱源分布與生死單元是兩種不同的計算方式，因此不能疊加使用。 ANSYS軟件通過(guò)完整的材料本構關(guān)系、求解能力，為焊接仿真提供了強有力的技術(shù)保障，因此設計人員可以以此進(jìn)行焊接仿真，為電流、電壓等焊接工藝參數的設置提供參考依據，從而合理優(yōu)化焊接工藝。 [參考文獻] [1] 焊接數值模擬技術(shù)及其應用 汪建華 |
