前 言 

焊接工藝廣泛應用于機械、建筑、船舶、航空航天等領域，是連接材料的關鍵工藝之一。通過加熱、加壓或兩者結合的方式，使金屬或非金屬材料在局部形成原子或分子間結合。焊接工藝會直接影響結構的強度，因此如何準確評估焊接工藝對結構性能的影響成為關鍵因素。隨著數值計算工具功能的日益強大，焊接結構的強度分析趨向于基于FEM計算工具完成全流程評估的方向，即首先基于FEM完成焊接仿真，然后將焊接仿真的殘余應力導入結構分析中，最終完成對焊接結構強度的評估。海克斯康憑借其在焊接仿真、工藝映射、結構仿真方面的優勢和經驗積累，形成一套針對焊接工藝-結構一體化仿真分析的解決方案，以幫助用戶高效、準確地評估焊接產品最終性能。

PART.01

分析工具介紹

?Simufact Welding工具軟件

Simufact Welding是一款專業焊接仿真軟件，提供多種算法模擬激光焊、MIG、TIG、MAG、真空電子束焊、電阻焊、氬弧焊、釬焊等焊接工藝過程，采用瞬態熱-結構耦合方法可以綜合考慮各種焊接工藝參數（例如：電流、電壓、焊接速度、材料、工裝夾具的作用形式和撤離時間、冷卻時間、焊接順序、焊縫、焊點位置等）對焊接質量的影響。

圖2. Simufact Welding可以模擬多種焊接工藝過程

Simufact Welding可以進行變形量、應力場及溫度場等信息的動態顯示，包括焊接過程中任意節點的溫度、變形、變形分量、熱應力、應力分量等結果。

?Digimat工具軟件

Digimat是一款多尺度復合材料性能預測軟件，能夠幫助用戶在材料微觀結構，制造工藝和宏觀結構性能等方面進行預測和分析，從而幫助用戶加快復合材料部件的研發流程。

圖3. 多尺度復合材料仿真平臺Digimat

Digimat提供兩種應用模式：工具和解決方案。工具模塊是Digimat的核心功能，它們既可以獨立運行，也可以作為解決方案的一部分（部分功能）發揮作用。解決方案是針對特定應用領域或行業的一體化解決方案，這些方案采用Step-by-Step設置模式，方便用戶快捷地完成各步驟的設置和仿真分析。例如本文用到的工藝結果映射工具模塊Digimat-MAP和有限元聯合仿真分析模塊Digimat-CAE，就集成在解決方案Digimat-MS里面，而Digimat-MS則是多尺度耦合分析集成解決方案，該方案將工藝分析與結構分析集成，通過將工藝分析結果映射至結構分析模型，完成后續的結構分析。

?MSC Nastran工具軟件

MSC Nastran是一款高度可靠性結構有限元分析軟件，擁有眾多領先的求解功能，尤其在動力學方面，可以快速的得到準確的分析結果。MSC Nastran具有多學科分析，可為用戶提供針對各種工程問題的一體化結構分析解決方案。MSC Nastran能夠有效解決各類大型復雜結構的強度、剛度、屈曲、模態、動力學、熱力學、非線性、聲學、流體-結構耦合、氣動彈性、超單元、結構疲勞、慣性釋放及結構優化等問題。

圖4. MSC Nastran多用途有限元分析程序

PART.02

焊接工藝-結構一體化仿真工作流程

為了考慮焊接工藝對焊接結構強度的影響，本文給出一種焊接工藝-結構一體化仿真分析的工作流程。該流程可實現金屬結構焊接工藝仿真分析，將焊接工藝仿真結果自動引入結構仿真分析中，保證焊接結構仿真模型與實際狀態的一致性，從而提高焊接結構強度分析的精度。

圖5. 焊接工藝-結構一體化仿真分析工作流程。

上述仿真分析流程包含3個步驟：

01

結構焊接工藝仿真；

02

焊接工藝結果映射；

03

耦合結構仿真分析軟件MSC Nastran，通過istress關鍵字引入焊接殘余應力完成最終結構分析，從而考慮焊接殘余應力的影響。

其中，焊接工藝仿真可以在工藝仿真軟件Simufact Welding中進行，分析完成后獲得焊接工藝結果，包括殘余應力、變形分布、溫度場等。上述焊接工藝仿真結果可以通過Digimat軟件的工藝結果映射功能，將焊接工藝的仿真結果映射至結構有限元網格上，從而保證結構仿真時的初始狀態與結構工藝完成后的狀態保持一致。最終通過商用有限元軟件MSC Nastran完成焊接結構的剛度、強度等仿真分析，獲得產品的性能。

PART.03

完整工作流程演示案例

本文以平板焊接接頭結構為例，演示接頭結構的焊接工藝仿真、焊接后殘余應力映射以及最后結構耦合仿真分析的整個工作流程：

01

通過Simufact Welding完成接頭的焊接仿真，獲得的焊接工藝仿真結果包括：殘余應力、變形場、溫度場。

02

通過Digimat-MAP的工藝映射功能，將接頭焊接工藝過程的殘余應力結果映射到結構有限元網格上（Digimat-MAP也支持將變形場和溫度場的映射），最終導出映射完成的殘余應力關鍵字。

03

耦合結構仿真分析軟件MSC Nastran，通過istress關鍵字引入焊接殘余應力完成最終結構分析，從而考慮焊接殘余應力的影響。

平板接頭結構焊接工藝仿真結果如下圖所示，顯示了焊接完成后的殘余應力分布情況。

圖6. 平板接頭焊接工藝仿真殘余應力結果

基于焊接工藝仿真結果（Arc文件），Digimat-MAP模塊可讀取殘余應力結果，將上述工藝結果映射至MSC Nastran的結構網格上。

圖7. 映射至MSC Nastran結構模型中的殘余應力場

圖8. Digimat-MAP完成焊接仿真殘余應力映射，導出MSC Nastran的istress文件

將上述映射的MSC Nastran初始應力文件添加到平板接頭結構仿真分析模型中，設置如下：

?考慮殘余應力模擬的有限元非線性分析計算，求解序列設置：SOL 400

?材料類型：從Simufact Welding軟件導出非線性曲線，彈塑性模型

?工況設置：殘余應力分析，計算平板接頭結構在焊接殘余應力情況下的應力恢復情況。

以焊縫附近施加100000N的單點力為工作載荷，約束平板3頂角處節點。

圖9：MSC Nastran結構分析中的外載荷設置

對比僅施加單點載荷、引入焊接殘余應力載荷等工況下的計算結果如下圖：

圖10. 僅施加工作載荷 vs 同時引入焊接殘余應力

通過上圖結果可以觀察到，若僅施加工作載荷（上圖：常規MSC Nastran有限元計算），其計算結果與同時考慮到焊接工藝的殘余應力的情況（下圖：Simufact Welding-DigimatMap-MSC Nastran焊接工藝結構一體化仿真）有較大差異。

在完成上述應力恢復的計算分析后，可以進一步對焊接部件進行強度、剛度、動力學等各類結構仿真分析。

總結

基于焊接工藝-結構一體化仿真分析工作流程，可實現在焊接結構有限元仿真分析中考慮焊接工藝的影響，從而使仿真更加貼近產品的真實工藝情況，仿真結果更加準確。

上述流程可用于焊接結構的剛度、強度、動力學等各類結構仿真分析，進一步也可以結合海克斯康疲勞仿真分析工具CAEfatigue進行后續的焊接結構疲勞分析：在CAEfatigue中，可以將MSC Nastran中的殘余應力設置為靜態應力偏置，從而在疲勞壽命評估時考慮焊接殘余應力的影響，以獲得產品更為準確的疲勞壽命分析結果。

最后，Digimat中的映射功能可將多種工藝仿真結果（包括焊接、模流、金屬鑄造、沖壓、復合材料RTM、AFP等）以及CT掃描實際結果映射到結構有限元網格上，上述焊接工藝-結構一體化仿真分析工作流程也可以擴展到各類工藝-結構一體化仿真分析流程，從而使產品結構仿真結果更加準確。