在重工行業(yè)中，焊接是整個生產(chǎn)中非常關(guān)鍵的一環(huán)，重工行業(yè)中涉及到的焊接不僅種類多、焊縫多、焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且大部分焊縫均為多層多道焊，這就導(dǎo)致了在整個焊接過程中，零件的焊接變形難以控制。因此長期以來，對于焊接工藝的改進和優(yōu)化主要依靠工藝人員的經(jīng)驗和各類工藝試驗，一直缺乏一套專業(yè)的有效的方法和手段。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和有限元理論的逐漸成熟，焊接模擬仿真技術(shù)已經(jīng)開始成為在焊接工藝優(yōu)化改進過程中的良好手段和方法。

國際上基于有限元手段進行焊接仿真起始于上個世紀(jì)60-70年代，距離現(xiàn)在已經(jīng)有40-50年的發(fā)展歷史了，其在焊接模擬仿真領(lǐng)域上的理論知識和工程應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟。通過CAE仿真軟件對焊接過程進行模擬，可以精確模擬材料機械、物理和冶金過程中的性能變化過程和結(jié)果，從而獲得整個焊接過程中的金相組織變化、溫度場、應(yīng)力場、變形場、硬度等信息，工藝人員可以通過這些結(jié)果信息，對焊接工藝參數(shù)和工藝方案進行優(yōu)化，提高焊接質(zhì)量，更進一步為產(chǎn)品的變形分析和殘余應(yīng)力分析等提供相應(yīng)的理論支撐。

01

Simufact Welding工藝仿真解決方案

海克斯康的焊接工藝仿真解決方案——Simufact Welding，作為在國內(nèi)外先進的焊接工藝仿真軟件，已經(jīng)幫助眾多重工行業(yè)客戶解決焊接裝配中的焊接變形、焊接開裂等問題。國內(nèi)重工行業(yè)中使用Simufact Welding焊接工藝仿真解決方案的有徐工、三一重工、中聯(lián)重科、同力重工、柳工、安徽合力叉車、湖南星邦重工等知名企業(yè)。

Simufact Welding焊接工藝仿真解決方案主要幫助用戶解決焊接變形過大、焊接殘余應(yīng)力（焊后開裂風(fēng)險分析）、焊后熱處理等情況，可以幫助用戶從焊接工藝參數(shù)優(yōu)化、焊接順序優(yōu)化、焊接方向優(yōu)化、焊接工裝優(yōu)化、焊后熱處理工藝優(yōu)化等各角度進行快速的工藝參數(shù)優(yōu)化，為工藝設(shè)計人員提供專業(yè)的指導(dǎo)。通過對比不同工藝方案下的零件變形和殘余應(yīng)力等，幫助用戶制定合理的焊接工藝方案，減少試驗成本，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約生產(chǎn)成本。

重工行業(yè)結(jié)構(gòu)件較大、多層多道焊、焊縫較長、壁厚較厚等特點，不太適合使用殼單元，針對此特點Simufact Welding具有專業(yè)的實體-殼網(wǎng)格，在求解過程中考慮壁厚的溫度、內(nèi)應(yīng)力、外載荷等的作用，焊縫附近網(wǎng)格節(jié)點無需匹配，焊接過程中可以自動細化粗化，多種快速算法加速求解效率。既能保證求解的精度，又能保證求解效率。

— 求解精度 —

Simufact Welding

如下圖所示的鋼結(jié)構(gòu)焊接仿真結(jié)果對比，仿真最大值為4.75mm，實際掃描的最大值為4.68mm，最大值僅相差0.07mm。而且仿真預(yù)測翹曲變形的區(qū)域，實際焊接時翹曲變形位置相對應(yīng)，Simufact Welding 變形趨勢和變形量上均與實際對應(yīng)。

（左-仿真結(jié)果，右-實際掃描結(jié)果）

Simufact Welding仿真結(jié)果與實際對比（視圖放大15倍）

— 求解效率 —

Simufact Welding

Simufact Welding 除了DDM/SMP并行加速求解算法之外，還有一些快速算法，只需進程樹中復(fù)制模型，切換求解算法，無需重新建模，主要的快速算法包括解耦、熱循環(huán)曲線法（TC）、高級熱循環(huán)曲線法（ATC）、單發(fā)計算、收縮法（固有應(yīng)變法），各方法的計算效率對比如下：

表1：不同算法間的對比(測試模型47萬網(wǎng)格，焊縫6m)

表2：熱循環(huán)曲線法（TC）和高級熱循環(huán)曲線法（ATC）的對比

（測試模型38.9萬網(wǎng)格，9765mmX1529mmX2069mm，焊縫長度3.5m）其中：8DDM代表8核并行計算；TC-熱循環(huán)曲線法；ATC-300-高級熱循環(huán)曲線法，系數(shù)300

從上表中可以看出，Simufact Welding 的快速算法可以提高幾十上百倍的求解效率，用戶可以根據(jù)不同的需求，選擇不同的求解算法。

02

行業(yè)案例展示-某機車底盤

— 模型簡介 —

Simufact Welding

某機車底盤結(jié)構(gòu)由上板、下板、加強筋、支撐、樞軸等共計25個結(jié)構(gòu)件通過焊接工藝裝配組成。焊接過程分為兩個工步進行焊接，焊接完第一個工步后將第一個工步的結(jié)果繼承到第二個工步上進行后續(xù)模擬分析；在Simufact Welding中可以直接從結(jié)果復(fù)制，將前序工位計算的結(jié)果傳遞到后續(xù)焊裝工位，方便多個組裝焊接工位。

該模型采用Intel Dual XEON E2-2620v2 @2.5GHz 32GB RAM NVidia QUADRO K4000的計算機上采用熱循環(huán)法計算，工位一計算時間約6小時，工位二計算時間約10小時；總裝的模型網(wǎng)格達到約93萬（組件采用四面體網(wǎng)格、焊縫采用六面體網(wǎng)格，未激活網(wǎng)格自動細化）。

— 仿真結(jié)果 —

Simufact Welding

從變形云圖中可以看出，零件在工步一中，最大變形為1.51mm，發(fā)生在零件的兩側(cè)立板；零件在工步二中，零件焊接完成后，零件最大變形為6.34mm，零件發(fā)生了一定的扭曲變形，零件在兩側(cè)安裝座的最大翹曲變形為5.5mm。

通過Simufact Welding軟件的仿真，可以快速的分析出零件在各焊接工藝中的變形，預(yù)先找到零件可能出現(xiàn)的焊接問題，可以快速的幫助工藝人員制定相關(guān)的工藝優(yōu)化方案。

另外，對于結(jié)構(gòu)對稱、工藝對稱的焊裝仿真，在Simufact Welding中可以使用對稱模型，可以大大降低網(wǎng)格數(shù)量，更快速的評估焊接變形、殘余應(yīng)力等缺陷。