實體焊縫的案例
ANSYS Mechanical聯(lián)合ANSYS nCode DesignLife 在實體焊縫疲勞分析
作者 | 付穌昇 安世中德結(jié)構(gòu)仿真咨詢專家
首發(fā) | 仿真秀（ID:fangzhenxiu2018）
引言：ANSYS nCode DesigenLife具有強大的焊縫疲勞分析能力，由于分析過程的復(fù)雜性， ANSYS Workbench工作平臺預(yù)定義7類nCode DesignLife疲勞分析模塊并不包括對于焊縫疲勞的相關(guān)分析，需要間接完成。
ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析能夠?qū)Ρ”诮Y(jié)構(gòu)進行，同時也能夠基于非薄壁結(jié)構(gòu)進行實體焊縫疲勞模擬，如圖1所示。
實體焊縫疲勞分析，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，對于實體網(wǎng)格建立的焊縫分析具有相當(dāng)?shù)钠者m性，相對于熱點應(yīng)力法，無需對網(wǎng)格進行強制控制。
限于篇幅，本文僅對實體焊縫疲勞分析一般流程進行概述。
① 基于“DesignLife theory”對實體焊縫疲勞分析方法進行概述；
② 基于ANSYS Mechanical創(chuàng)建有限元求解；
③ 基于nCode Weldline創(chuàng)建實體焊縫信息；
④ 基于ANSYS nCode DesignLife進行實體焊縫疲勞求解引擎求解。
圖1
一、實體焊縫模型創(chuàng)建準(zhǔn)則
1、ANSYS nCode DesignLife實體焊縫分析方法
ANSYS nCode DesignLife實體焊縫分析理論中對于實體焊縫評估采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，與熱點應(yīng)力法（距離焊趾表面一定距離的兩點或三點，進行線性或二次插值計算來確定焊趾處的熱點應(yīng)力值，如圖2所示）相比較，結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對于網(wǎng)格無需特殊考慮，對網(wǎng)格敏感程度相對較低。
展開 ANSYS Mechanical聯(lián)合ANSYS nCode DesignLife 在實體焊縫疲勞分析
引言：ANSYS nCode DesigenLife具有強大的焊縫疲勞分析能力，由于分析過程的復(fù)雜性， ANSYS Workbench工作平臺預(yù)定義7類nCode DesignLife疲勞分析模塊并不包括對于焊縫疲勞的相關(guān)分析，需要間接完成。
ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析能夠?qū)Ρ”诮Y(jié)構(gòu)進行，同時也能夠基于非薄壁結(jié)構(gòu)進行實體焊縫疲勞模擬，如圖1所示。
實體焊縫疲勞分析，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，對于實體網(wǎng)格建立的焊縫分析具有相當(dāng)?shù)钠者m性，相對于熱點應(yīng)力法，無需對網(wǎng)格進行強制控制。
限于篇幅，本文僅對實體焊縫疲勞分析一般流程進行概述。
① 基于“DesignLife theory”對實體焊縫疲勞分析方法進行概述；
② 基于ANSYS Mechanical創(chuàng)建有限元求解；
③ 基于nCode Weldline創(chuàng)建實體焊縫信息；
④ 基于ANSYS nCode DesignLife進行實體焊縫疲勞求解引擎求解。
圖1
一、實體焊縫模型創(chuàng)建準(zhǔn)則
1、ANSYS nCode DesignLife實體焊縫分析方法
ANSYS nCode DesignLife實體焊縫分析理論中對于實體焊縫評估采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，與熱點應(yīng)力法（距離焊趾表面一定距離的兩點或三點，進行線性或二次插值計算來確定焊趾處的熱點應(yīng)力值，如圖2所示）相比較，結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對于網(wǎng)格無需特殊考慮，對網(wǎng)格敏感程度相對較低。
圖二
結(jié)構(gòu)應(yīng)力法滿足平衡條件并可以采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法進行計算，結(jié)構(gòu)應(yīng)力是膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力之和。結(jié)構(gòu)應(yīng)力法需要用戶自定義“Stress Classification Lines (SCL)”應(yīng)力等級線去確定膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。
展開 CAE前處理 | 實體焊縫（嘗鮮）
step2 準(zhǔn)備焊線
刪除多余分段，將離散的焊線合并為一條，這樣，我們就可以得到一條完整的焊線（圖中深藍色線）：
step3 創(chuàng)建焊縫表面
得到了完整的焊線后，使用advanced→weld→weld創(chuàng)建焊縫表面：
這里需要設(shè)置一些參數(shù)，主要是兩側(cè)焊接的厚度以及網(wǎng)格層數(shù)，焊縫的類型以及焊縫的端部形式，按照圖中參數(shù)（焊接面厚度2mm，網(wǎng)格兩層，焊縫網(wǎng)格3層）可以得到如下焊縫表面網(wǎng)格：
注意，現(xiàn)在生成的只是焊縫的面網(wǎng)格，并且由于焊縫的插入，原始模型的網(wǎng)格局部一定程度被破壞：
step4 局部面網(wǎng)格重劃
通過remesh，我們可以在保留焊縫連接關(guān)系的前提下重新劃分局部網(wǎng)格：
step5 生成焊縫實體
面網(wǎng)格都準(zhǔn)備好之后，使用volume mesh快速生成焊縫實體：
這樣就得到了完整的具有網(wǎng)格連接性的焊縫網(wǎng)格（從剖面圖可以看出）：
當(dāng)然，simlab的weld工具提供了很多焊縫類型：
這些焊縫類型的生成方式略有差異，但是不管哪一種，基本思路都是：面網(wǎng)格 → 焊線→ 布爾操作得到焊縫局部面網(wǎng)格 → 網(wǎng)格修復(fù) → 生成焊縫實體。
【注：如果將焊縫導(dǎo)入到hypermesh中需要進行一步合并重合節(jié)點操作。】
來源于： 仿真求知之路 作者：ansys-聰聰
展開 基于ncode的seam實體焊縫疲勞分析
本案例主要是介紹如何在ncode進行seam實體焊縫疲勞仿真分析，焊點類型seam，提供疲勞載荷譜，焊點疲勞分析采用seamweldanalysis求解器。
Vonmises應(yīng)力云圖
損傷云圖
壽命云圖
疲勞分析流程圖
感興趣的朋友請點個贊，并留下你的郵箱，集滿60個贊，相關(guān)模型文件將統(tǒng)一發(fā)到你們的郵箱。
展開 
使用Hypermesh生成ncode實體焊縫疲勞計算用焊線XML文件 ￥15
使用hypermesh插件生成ncode實體焊縫疲勞計算所用XML文件。
文末附tcl插件下載。
【HyperMesh寶典】之縫焊和粘膠
根據(jù)兩個被連接件的角度不同，縫焊可以分為T型，L型，B型3種，分別圖示如下：
T Connection
L Connection
B Connection
創(chuàng)建縫焊的選項里面有一些名字帶有capped字樣:
Capped的意思是下圖中的三角形單元：
T型縫焊的三角形cap
L型縫焊的三角形cap
T型縫焊具體創(chuàng)建方法如下：
也可以同時創(chuàng)建垂直+傾斜的兩排焊縫
L型縫焊的創(chuàng)建方法如下：
結(jié)果如下：
B型縫焊的創(chuàng)建方法如下：
結(jié)果如下：
在seam面板還可以創(chuàng)建實體焊縫，比如下圖中的實體焊縫：
使用的面板設(shè)置如下：
T型楔形實體焊縫創(chuàng)建方法如下：
T型六面體縫焊創(chuàng)建方法如下：
如果只是希望連接兩個零件進行載荷傳遞，可以直接使用Load transfer，設(shè)置方法如下：
也可以對2D單元和3D單元（四面體/六面體）進行連接，結(jié)果如下：
或者3D對3D，效果如下：
SimLab四面體實體縫焊
SimLab支持創(chuàng)建四面體實體縫焊，主要應(yīng)用在排氣系統(tǒng)和重工等行業(yè)的精細化建模。
這個功能比較厲害，效果如下圖所示。
以前如果要創(chuàng)建這類焊縫，用戶需要先在CAD軟件里面將焊縫的實體幾何全部創(chuàng)建好再導(dǎo)入HyperMesh進行網(wǎng)格劃分，效率很低。
展開 使用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法預(yù)測殼單元/實體單元焊趾的疲勞壽命
建立了以殼單元和實體單元建模的焊縫模型，并標(biāo)記了焊趾點位置。
2.在不同的兩個工況天下對模型施加兩種載荷，并計算焊趾處的節(jié)點結(jié)構(gòu)應(yīng)力。
3.提取兩種模型焊趾處的節(jié)點力。
4.使用自己編寫的代碼計算兩種模型的焊趾等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并計算損傷。
有意咨詢代碼或算法相關(guān)問題的可私聊我。
基于 HyperMesh 的鋼結(jié)構(gòu)仿真流程自動化定制
縫焊相對于點焊要容易處理，縫焊焊縫的模擬方法通常采用以下方式：①三維實體單元模擬焊縫幾何形狀。②幾何連接。③節(jié)點耦合。把焊縫連接的幾何體的相對應(yīng)節(jié)點直接耦合連接。④梁單元或桿單元模擬焊縫連接。螺栓連接由于存在預(yù)緊力與接觸面間的摩擦力，螺栓連接使有限元模擬變得復(fù)雜。由于算法與計算規(guī)模的限制，在螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)的有限元分析中，常常采用簡化模型。簡化模型從整體結(jié)構(gòu)承載出發(fā)，給出了有限元仿真中螺栓聯(lián)接的簡化方法：①螺栓聯(lián)接的兩部件的相應(yīng)節(jié)點融合成一個節(jié)點。②彈簧元模擬螺栓。③采用桿單元與梁單元連接。
2 總結(jié)和討論
本文基于 HyperMesh 進行鋼結(jié)構(gòu)仿真分析的二次開發(fā)，制定客戶化的仿真流程。在本文的客戶化制定中，對于一般力學(xué)分析類型，進行了統(tǒng)一的流程規(guī)范，通過該定制可以使得分析人員從重復(fù)工作中解脫出來，提高分析效率。通過客戶化定制，將日常工程工作中常用的載荷曲線，典型材料等加入到了軟件中，可以即時調(diào)用，從而大大提高了分析的效率和能力。另外，對于復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)剛強度分析，一般分析之前需要對結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)分析或者叫經(jīng)驗分析，在本客戶化定制中，對于獲得實踐驗證的典型結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析經(jīng)驗進行了流程固化，從而大大降低了復(fù)雜問題分析中不同分析人員之間的能力差異所造成的影響。該分析流程固化的標(biāo)準(zhǔn)制定是針對不同鋼結(jié)構(gòu)特點而進行的，同時需要結(jié)合工程實踐長期積累總結(jié)。
展開 角焊縫（殼體）疲勞在ANSYS nCode DesigenLife的創(chuàng)建與計算原則淺述
ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析最初用于汽車行業(yè)薄板結(jié)構(gòu)(1-3 mm) 的焊接分析模擬，采用薄殼搭建有限元模型，相關(guān)工業(yè)應(yīng)用也都針對于此類結(jié)構(gòu)進行。ANSYS nCode DesigenLife焊縫疲勞分析采用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法進行計算，具有好的網(wǎng)格不敏感性，目前該方法也適用于以實體建模的焊縫疲勞分析。
限于篇幅本文僅針對角焊縫（殼體）焊縫單元創(chuàng)建和計算的準(zhǔn)則基于ANSYS nCode Theory手冊進行編寫，關(guān)于搭接焊縫、激光焊等請參考相關(guān)文獻資料。
兩名筆者水平極為有限，錯誤必然較多，另原稿成稿較早且截取原稿部分并非完整，某種程度未能緊跟相關(guān)技術(shù)發(fā)展，因此嚴禁直接應(yīng)用于企業(yè)項目的產(chǎn)品分析以免造成重大事故和傷害。另外本文建立的焊縫有限元模型不能作為評估焊縫極限強度的方法進行使用。
一、殼體焊縫有限元建模通用原則
不同類型的焊縫形式具有不同的分析方式，需要根據(jù)焊縫種類進行分組，每一個有限元輸入分組應(yīng)對應(yīng)疲勞引擎中對應(yīng)的有限元焊縫類型，并設(shè)置一個合理的參數(shù)數(shù)值。
對于以薄殼單元建立焊縫有限元建模具有一定的通用準(zhǔn)則：
① 網(wǎng)格應(yīng)以4節(jié)點四邊形單元為主，表達金屬薄板的中面。
② 以單排或雙排殼單元進行焊縫建模表達。
③ 焊縫網(wǎng)格規(guī)整，尺寸以5mm為最好，規(guī)避三角形網(wǎng)格出現(xiàn)。
④ 疲勞分析焊縫單元需設(shè)置特殊焊接屬性。
⑤ 焊縫單元法向保證設(shè)置法向朝外。
⑥ 毗鄰焊縫的單元的非平均化節(jié)點應(yīng)力被提取作為焊趾和焊根疲勞計算評估使用，該應(yīng)力也可以是平均化的或在單元邊長的中點處進行計算，通過在“ANSYS Group Properties”中設(shè)置“WeldLocation = MidElementEdge”進行考慮。
展開 彎曲工況下車輪強度、疲勞分析方法對比
1.1模型1（殼單元離散，不考慮接觸與預(yù)緊力）
輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用B31模擬，如圖1所示。
1.2模型2 （體單元離散，不考慮接觸與預(yù)緊力）
輪輞、輪輻、焊縫使用實體單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用B31模擬，如圖1所示。
1.3模型3（殼單元離散，考慮預(yù)緊力，接觸對模擬接觸）
輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用實體單元模擬，加載圓盤利用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上， 利用接觸對模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。
1.4模型4（殼單元離散，考慮預(yù)緊力，GAPUNI模擬接觸）
輪輞、輪輻與焊縫均使用殼單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤使用實體單元模擬，加載圓盤用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上。利用DCOUP3D-GAPUNI模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。
1.5模型5（體單元離散，考慮預(yù)緊力，GAPUNI模擬接觸）
輪輞、輪輻、焊縫、連接件使用實體單元模擬，總裝件的螺栓連接與加載軸均用KINCOUP剛性單元模擬，加載圓盤用KINCOUP單元與B31單元連接到車輪上。 利用DCOUP3D-GAPUNI模擬加載圓盤與輪輻安裝平面的接觸，如圖2所示。
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