ANSYS是計算機輔助工程(CAE)領域應用最廣泛的有限元分析軟件,通過對該軟件的系統組成、工作流程和工作原理等方面進行分析,對有限元方法FEM在焊接熱效應領域的應用進行了研究。

   ANSYS能與其他主流CAD軟件雙向傳遞數據,具有多物理場分析能力和便捷的前后數據處理能力,通過基于ANSYS的虛擬試驗平臺,可以低成本、高效率優化與焊接熱效應相關產品設計方案,因而在焊接研究和生產方面有著廣闊的應用前景。

   焊接是一個涉及許多學科的復雜的物理 — 化學過程。由于焊接過程涉及的變量數目繁多，單憑積累工藝試驗數據來深入了解和控制焊接過程，既不切實際又成本昂貴和費時費力。

   隨著計算機技術的發展，通過一組描述焊接基本物理過程的數學方程來模擬焊接過程，采用數值方法求解以獲得焊接過程的定量認識，即焊接過程的計算機模擬，成為一種強有力的手段。計算機模擬方法為焊接科學技術的發展創造了有力的條件。

   1993 年，美國能源部組織美國、加拿大、日本、瑞典、英國的 25 位著名專家對 21 世紀焊接科學技術的發展動向做出預測，其中焊接基本現象的模擬與仿真被列為最重要的研究方向之一  。我國國家自然科學基金委員會制定的學科發展戰略也將計算機模擬確定為機械熱加工領域的發展方向之一。

   計算機模擬是使包括焊接在內的熱加工工藝研究從“定性”走向“定量”、從“經驗”走向“科學”的重要標志。采用科學的模擬技術和少量的實驗驗證，以代替過去一切都要通過大量重復實驗的方法，不僅可以節省大量的人力和物力，而且還可以通過數值模擬解決一些目前無法在實驗室里進行直接研究的復雜問題。

   在制造業，計算機模擬與仿真可以增加材料利用率 25 ％，節約生產成本 30 ％，產品設計至實際投產的時間縮短 40 ％。焊接過程數值模擬中，熱源擬合，溫度場的模擬是最基本的工作，然后就是應力和變形的模擬。

   我們可以看到大量這方面的文章，溫度場的模擬起步也較早，也積累了比較豐富的經驗，在實際生產中得到了一定的應用。溫度場的模擬是對焊接應力、應變場及焊接過程其他現象進行模擬的基礎，通過溫度場的模擬我們可以判斷固相和液相的分界，能夠得出焊接熔池形狀。

   焊接溫度場準確模擬的關鍵在于提供準確的材料屬性，熱源模型與實際熱源的擬合程度，熱源移動路徑的準確定義，邊界條件是否設置恰當等。與通用軟件相比，專業焊接軟件使用起來更加方便，減少了通用軟件很多操作時間。例如SYSWELD中有焊接熱源模型，有雙橢球（Goldak）熱源模型（適于TIG，MIG焊接）及圓錐（Conical）熱源模型（適于激光、電子束等焊接）可以供使用者選擇；并且具有熱源校準功能，使得熱源的擬合盡可能與實際情況相吻合。

   焊接應力與變形問題可以分為兩類，一是焊接過程中的瞬態應力應變分析，二是焊接后的殘余應力與應變計算。對后者進行分析計算的較多，主要是為了減少殘余應力，控制變形，防止缺陷的產生。經過幾十年年的發展，應力與變形的計算日益成熟。結果精度也在不斷提高。改進了計算方法的效率和穩定性，計算速度更快，收斂性更好。還有很多程序應用了并行計算功能，進一步提升了計算速度，模型也考慮得更加精細。深入研究了對焊接應力與變形的影響因素。

   例如材料屬性隨溫度變化，焊接接頭幾何形狀，焊縫道數，不同的焊接方法等等。對于焊接局部模型，存在非常強烈的非線性特征，材料經過高溫，相變，冷卻后會有殘余應力，因此對焊接附近需要進行詳細模擬。而作為整體結構而言，可能又體現為彈性變形，所以線彈性分析就夠了。

   因此對于多道焊接的問題，采用先局部，再整體，將局部模型的內力映射到總體模型上的方法具有很大優勢，能夠快速得到整體模型的應力和變形結果。對應整體模型完全按照局部模型的細節進行仿真，可能計算量會大的無法承受，事實上也沒有必要。

   利用SYSWELD的焊接仿真，最大撓度模擬值為23.4毫米，試驗值為23.8毫米

目前國際上不銹鋼車輛上采用的多為奧氏體系SUS301L 類不銹鋼材料。這類材料不僅具有較高的抗拉強度(～930MPa) ,還具有良好的沖壓性能 ,同時還具有較好的點焊焊接性。

   現在 ,車輛設計者借助于電子計算機進行有限元計算方法(如ANSYS軟件) ,來分析車體的受力、變形以及應力分布情況 ,充分地利用了材料的高抗拉強度 ,設計出薄壁筒型和板梁結構的車體。車體鋼結構主要由側墻、底架、車頂、外端等部件構成。

   不銹鋼車體結構受力部件主要使用不同強度等級 SUS301L 不銹鋼 ,此外在底架等關鍵部位還采用了少量的高強度耐候鋼、低合金結構鋼和鋁合金等材料。不銹鋼板材的沖壓性能是衡量不銹鋼材料在1綜述述評車體上應用的重要指標 ,不銹鋼材料的熱物理性能又決定了不銹鋼車體的制造工藝主要采用電阻點焊方法。

   針對不銹鋼車體大多采用無涂裝形式和點焊焊接方法的要求 ,其車體結構與碳鋼車體有著較大差別。在車體結構上的主要特征為:便于點焊作業的骨架連接方法(如骨架之間采用專門設計的連接板) 。

   結構設計考慮了點焊的工藝性 ,盡最大可能消除角焊、對接焊等焊接變形較大的電弧焊結構;)采用冷滾壓成形的波紋車頂板 ,以增加縱向剛度和垂向剛度;取消了車頂縱梁 ,同時也簡化了點焊工藝;采用盲窗結構 ,提高了車體的密封性和強度;增設車下裙板 ,加大車體鋼結構斷面 ,提高車體的垂直抗彎剛度;)對于受力較大且點焊組裝難以保證強度的部位或部件 ,采用低合金鋼的角焊、對焊結構 ,如車體底架的端部處;

   由于無涂裝不銹鋼車體表面質量要求較高 ,對熱變形控制嚴格 ,傳統碳鋼車體采用火焰調平外板的方法受限 ,因此在設計上使車體的結構非常適合于裝配 ,在工藝上嚴格控制焊接熱量輸入以減少焊接變形。

   例如 ,車體鋼結構各大部件連接處均留有合適的裝配間隙;通過采用最佳焊點分布和控制點焊焊核直徑等措施 ,在保證連接強度的前提下 ,減少熱量輸入。此外 ,借助于ANSYS等計算機三維分析軟件 ,對不銹鋼車體結構進行強度分析和優化設計 ,最大限度地利用不同強度等級的不銹鋼板材 ,改進和優化了不銹鋼車體的設計結構。

   由于不銹鋼車體的整個結構與傳統的碳鋼車體有較大差異,因而其焊接制造工藝與傳統的車體焊接工藝有很大不同。                                                      

   為預沖窗口的通長墻板 ,采用真空吊具吊運;側墻鋼結構的吊運也須采用專用吊具。不銹鋼車體的外包板不涂裝是車輛設計和制造的難點之一 ,側墻的設計和制造應主要考慮如何保證側墻的平面度和側墻表面質量。

   實踐證明 ,采用單面點焊工藝代替雙面點焊和弧焊工藝 ,是減少因雙面點焊造成的焊點凹陷和弧焊造成的焊接變形的有效途徑。側墻外表面因失誤而造成損傷的修復工作 ,目前尚無可推薦的方法 ,需要通過實踐,不斷研究和提高。

焊接在工業中的應用是不言而喻的，但同時焊接過程中產生的殘余應力往往又會導致焊接失效。因此，在工業中一般都要對殘余應力進行消除，但這種消應力處理往往在實際結構或環境中難以實現，就必須進行破壞性分析。

　　隨著我國核反應堆的建設及運行，核級設備及管道會出現較多的缺陷，有的缺陷必須進行打磨后焊接修復，同時要進行力學分析評價，此時，力學分析就必須考慮由焊接而產生的殘余應力。對于焊接后結構中的殘余應力大小及分布，會因結構形式、焊接方式及材料特性的不同而不同。某核電站控制棒驅動機構(CRDM )耐壓殼上部Ω環連續兩年都出現了泄漏，并在檢修期間進行焊接修復。

   焊接公司委托美國公司對修復后的結構進行了力學分析和評定。焊接殘余應力的有限元計算是關鍵技術之一，也是難點。

   通過本課題的研究，掌握有限元模擬焊接過程及殘余應力計算，能夠提高我國焊接修復工程缺陷的分析能力，優化不符合項的處理程序，達到既節約時間和資金又滿足工作性能和安全性能的目的。

   有限元生死單元是指在模型加載過程中的某一指定時間，控制單元的生死選項，以實現在此指定時間內結構的“存在”或“不存在”。

　　單元生死選項并非真正的刪除或重新加入單元，死單元在模型中依然存在，但其單元載荷、質量、阻尼、比熱等為0。死單元的質量和能量將不包括在模型求解結果中。

　　若使單元重生，即在前處理器中激活它們，單元特性就建立了，這樣就能實現焊接過程中原不生效的熔融材料變為生效的模型體的一部份。

　　在ANSYS 程序中，單元類型PLANE55 (熱單元)和PLANE182 (結構單元)都支持單元生死功能，將分別應用于溫度場計算和應力計算分析中。單元生死分別用EALIVE 和EKILL 命令執行，并打開分析選項中的完全牛頓-拉佛森(full Newton-Raphson )方法，將得到較好的非線性計算收斂結果。

利用有限元生死單元技術既可模擬焊接過程中的堆焊部分，分別加載能量進行溫度場計算達到模擬焊接的整個過程。

　　分析時首先建立有限元模型，見圖4，平面單元均為PLANE55 (熱單元)，接觸單元用CONTA171 (接觸元)和CARGE169(目標元)，其捏合壓力為1.8Pa(2.62E-4ksi)，摩擦系數為0.5。

   超聲波技術已經廣泛應用于金屬、塑料焊接工藝中。焊接工裝（Horn），因其對結構動力學方面的高性能要求，傳統的仿造、修模設計方法已不能適應塑料產品多變的要求。本文從超聲波塑料焊接的原理入手，通過有限元法進行固有頻率和模態分析，設計新型工裝，滿足有效傳遞和均勻分配振動能量的功能要求。

   在設計過程中結合ANSYS的參數化建模、全因子實驗設計優化（DOE）和概率設計系統（PDS）模塊，進行參數設計和健壯性設計，調整幾何尺寸，使得工裝的固有頻率和超聲波頻率匹配，對應的模態在工作面振幅均勻，減少了局部結構應力集中的問題，同時對材料和環境的參數變化有較好的適應性。所設計的工裝一次加工完成投入使用，避免了反復修整工裝所帶來的時間和成本上的浪費。 

    國內有不少超聲波設備供應商自行生產焊接工裝，但是他們中有相當一部分是仿制已有，然后不斷的修整工裝、測試，通過這種反復調整的方法達到工裝與設備頻率協調的目的。

   本文通過有限元方法，在設計工裝時就能把頻率確定，制造出來的工裝測試結果與設計頻率誤差不過1％。同時，本文引入DFSS（DesignFor Six Sigma）的理念，對工裝進行優化和健壯設計。6-Sigma設計的理念是在設計過程中充分收集客戶心聲進行針對性的設計；并且預先考慮生產過程可能出現的偏差，保證最終產品的質量分布在合理的水平內。

   設計流程如圖二所示，從制定設計指標開始，首先根據已有經驗初步設計工裝的結構和外型尺寸，在ANSYS中建立參數化模型，然后通過仿真實驗設計（DOE）方法確定模型中的重要參數，根據健壯要求，確定數值，接著對其他參數用子問題法進行尋優。考慮到工裝在制造和使用過程中材料、環境參數的影響，還對其進行了公差設計，滿足制造成本的要求。最后是制造、測試檢驗理論設計和實際的誤差，滿足設計指標即交付使用。

   設計焊接工裝首先是確定其大致的幾何外型和結構，并建立參數化模型，以便進行后繼分析。圖三a）是最為常見焊接工裝的設計，在一個近似長方體的材料上沿振動方向豁開若干個U型槽。整體尺寸是X、Y、Z三個方向的長度，通常橫向尺寸X和Y與被焊接工件的大小相當。Z的長度等于超聲波的半波長，因為在經典的振動理論里面，長條型物體的一階軸向頻率是由它的長度確定的，半波長度正好與聲波頻率匹配，這種設計一直被延用，有利與聲波的傳播。

   U型槽的目的是減少工裝橫向振動的損耗，位置、大小和個數根據工裝整體尺寸確定。可見在這種設計中，可以自由調控的參數較少，因此我們在此基礎上做了改進。圖三b）是新設計的工裝，比傳統設計多了一個尺寸參數：外弧半徑R。另外，在工裝的工作面雕刻出凹槽與塑料工件表面配合，有利于傳遞振動能量和保護工件表明不受到傷害。對此模型在ANSYS中進行常規的參數化建模，然后進行下一步實驗設計。

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