設計仿真 | 圓管法蘭使用 Marc 進行裝配增材制造
預測焊接和增材制造（AM）中的殘余應力和變形對于確保制造部件的質量非常重要。但是，使用熱-機械耦合分析模擬大型焊接組件或多層AM零件非常耗時。采用固有應變法進行焊接或增材制造模擬時，可以對焊接、增材制造等工藝變形、應力進行快速結構響應。在該方法中，使用固有應變作為結構邊界條件，模擬了塑性應變、熱應變、蠕變應變和相變應變的組合效應。在焊接過程中受到高溫的組件部分稱為熱影響區。根據應用需求，有兩種方式可以定義熱影響區方法如下：
a)直接定義-熱影響區由用戶選擇定義，選擇對應單元分配固有應變；
b)焊接運動學-在這種方法中，熱影響區位于移動焊接池尺寸內的積分點被指定為固有應變。
有限元模型如圖1所示。該模型由圓形管道（底板）組成，法蘭（am_flange）通過金屬沉積形成。本分析的目的是使用固有應變邊界條件模擬金屬沉積過程。該模擬的結果給出模型中變形和殘余應力的合理估計。本案例只介紹其直接定義法來完成，關于焊接運動學的定義參照案例“Marc2022.3 用戶手冊 e125案例”。
圖1 模型組成
2.1
固有應變定義
為每個待沉積焊接層設置固有應變邊界條件。輸入3個方向固有應變分量，其不同方向的固有應變數值可以通過試件的標定獲取，其固有應變方向和單元材料坐標系一致。選擇第一層單元如圖2所示。然后依次單元第二、三、四層單元如圖3所示。
圖2 固有應變定義
圖3 定義固有應變的4層單元
同時做如下操作:
a）在Marc界面“分析任務”菜單下“停用”選項中停用所有定義的各層固有應變單元
b) 為每一層創建一個分析工況。
c) 在每種載荷情況下，指定固有應變邊界條件，激活一層單元。
d) 在“分析任務”菜單中按順序選擇所有依次定義的”分析工況”，并要求提供應力和應變結果。
2.2
單元類型及材料定義
底板和法蘭模型網格均采用7號實體單元。
整個模型所用材料為316L不銹鋼。材料數據在.umt文件中提供，提供了材料數據適用于293.15至1673.15°K的溫度范圍的力學參數、包括隨溫度變化的模量、泊松比、熱膨脹系數及流變曲線等，定義方式見下圖4。
初始常溫參數為：
楊氏模量1.92372×105 MPa
泊松比0.3
熱膨脹系數1.4560×10-5/°C
圖4 底板、法蘭模型的材料定義
2.3
接觸定義
該模型由變形體和一個剛體組成，如圖1所示。
a)底板-圓形鋼管；
b)法蘭-通過多層沉積材料建造；
c)剛體-在一端固定基板平面。
在該模擬中，底板粘接到剛體平面上，法蘭逐漸粘在底板上。與接觸相關的參數均設置為默認。所定義接觸關系均在接觸表中，接觸表在“分析工況”中和“分析任務”菜單中初始接觸中選擇。同樣的接觸表也適用于所有載荷工況。
2.4
結果顯示
圖5 模型等效應變云圖
圖6 模型的等效應力云圖
敬請參照 “Marc2022.3用戶手冊 e125 案例，案例中含所需要的數據文件。
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