ANSYS Mechanical在焊接仿真中的應用

 王建

[ 摘  要 ]   焊接作為一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學等各學科的復雜過程，其涉及到的傳熱過程、金屬的融化和凝固、冷卻時的相變、焊接應力和變形等是企業(yè)制造部門和設計人員關心的重點問題，采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗方式對于厚鋼板的焊接等特殊工藝無法進行合理的工藝設計，因此本文針對焊接數(shù)值模擬的基本理論進行了闡述，同時對于焊接仿真與ANSYS軟件的結合提出了建議，并結合實際情況詳細介紹了ANSYS軟件進行焊接仿真的具體應用技巧，通過采用仿真方式進行模擬，對傳熱過程、焊后應力場進行模擬，用來幫助確定焊接時結構和材料的最佳設計、工藝方法和焊接參數(shù)等。
[ 關鍵詞 ]   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(xiàn)代制造業(yè)必不可少的工藝，在材料加工領域一直占有重要地位。焊接是一個涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學等各學科的復雜過程，其涉及到的傳熱過程、金屬的融化和凝固、冷卻時的相變、焊接應力和變形等是企業(yè)制造部門和設計人員關心的重點問題。焊接過程中產(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)生主要是焊接時不合理的熱過程引起的。由于高能量的集中的瞬時熱輸入，在焊接過程中和焊后將產(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(wěn)定性。因此對于焊接溫度場合應力場的定量分析、預測有重要意義。
傳統(tǒng)的焊接溫度場和應力測試依賴于設計人員的經(jīng)驗或基于統(tǒng)計基礎的半經(jīng)驗公式，但此類方法帶有明顯的局限性，對于新工藝無法做到前瞻性的預測，從而導致實驗成本急劇增加，因此針對焊接采用數(shù)值模擬的方式體現(xiàn)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，完備的材料本構關系，為焊接仿真提供了技術保障。文中以ANSYS為平臺，闡述了焊接溫度場仿真和熱變形、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。
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高斯分布雖然給出了熱源分布，但沒有考慮焊移動對熱源分布的影響。實際上，由于焊縫加熱和冷卻的速度不同，因此電弧前方的加熱區(qū)域比后方的加熱區(qū)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，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描述

 

實際上，由于電弧沿焊接方向運動，電弧熱流是不對稱分布的。由于焊接速度的影響，電弧前方的加熱區(qū)域要比電弧后方的小；加熱區(qū)域不是關于電弧中心線對稱的單個的半橢球體，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

 

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ANSYS Workbench作為統(tǒng)一的多場耦合分析平臺，支持數(shù)據(jù)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，僅以說明焊接仿真流程為例，因此材料假定為線彈性結構鋼，在EngineerData中輸入材料參數(shù)如下：

 

ANSYS Workbench以ANSYS Meshing為基礎對模型進行網(wǎng)格劃分，對于此模型中的兩個焊接件和焊縫均以六面體方式進行劃分，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行高質量的網(wǎng)格劃分。

 

以Workbench平臺以基礎對焊接過程進行瞬態(tài)熱分析需要用到基于ANSYS Workbench開發(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熱源分布方式，在該插件中用戶可以指定焊移動速度、焊接電流、功率，焊接時間等參數(shù)。除此之外，進行傳熱過程分析，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參數(shù)如下所示：

 
針對此類大規(guī)模仿真問題，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(shù)下的焊接瞬態(tài)熱分析結果如下：

 

基于瞬態(tài)熱分析之上，可以進行焊后應力分析。通過前述建立的ANSYS Workbench的耦合分析流程，通過import load方式將熱分析溫度場傳遞給結構場進行應力分析。

 
同時根據(jù)實際工況對該構件施加約束，進行應力分析，最終得到某一時刻應力云圖如下所示：

 

 
在ANSYS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MP命令建立完整的材料參數(shù)表，如下圖所示：

  

通過esize等命令，對該模型進行局部網(wǎng)格控制，生成六面體網(wǎng)格，并達到較高的網(wǎng)格質量。有限元模型如下：

 

本例中同樣采用高斯熱源方式進行模擬，相關焊接工藝以參數(shù)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(jù)APDL中設定的求解參數(shù)進行迭代計算，迭代曲線如圖所示：

 

經(jīng)過求解計算后可以得到該焊接件的溫度場分布云圖，如下圖提出的某時刻溫度場分布云圖：

 

[參考文獻]
[1] 焊接數(shù)值模擬技術及其應用 汪建華

該文章已在西莫論壇電子期刊發(fā)表

下載詳見附件：

西莫電子期刊第12期.pdf