焊接ansys仿真的案例
ANSYS Mechanical在焊接仿真中的應用
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制造部門和設計人員關心的重點問題，采用傳統的經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
焊接作為現代制造業必不可少的工藝，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制造部門和設計人員關心的重點問題。焊接過程中產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。
傳統的焊接溫度場和應力測試依賴于設計人員的經驗或基于統計基礎的半經驗公式，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值模擬的方式體現出了巨大優勢。
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。
展開 網絡課 | ANSYS焊接機器人仿真相關案例分享
1、課程簡介
對于焊接機器人而言，焊接質量非常重要，而焊接質量主要受機械手定位精度和焊接工藝參數等方面的影響。本文重點就焊接機器人定位精度和焊接工藝參這兩方面的內容進行展開，詳細介紹ANSYS的相關仿真應用案例以及具體的仿真流程方法。
2、課程時間
4月27日（15:00-16:30）
3、適用人群
機器人、自動化設備、工裝夾具、焊接工藝等相關技術人員。
4、講師介紹
陳 猛（Ansys資深結構工程師、陽普科技金牌講師）
碩士畢業于廣東工業大學機械工程學院。擁有8年CAE仿真工作經驗，負責并參入了多項國基項目和工程項目，如超聲波振動系統的研究，硬脆性材料加工過程裂紋擴展的研究，電梯轎架靜動載解析問題，新能源電池包結構強度問題，壓縮機配管系統振動噪聲問題等。目前在陽普科技擔任ANSYS結構工程師一職，負責ANSYS結構產品的售前/售后技術支持以及仿真項目咨詢工作，擁有較為豐富的仿真培訓經驗和工程項目仿真經驗。
展開 ANSYS Workbench在焊接仿真中應用技術分類
ANSYS Workbench在焊接仿真中應用技術分類
作者：大龍貓 微信公眾號：CAE_ANSYS
焊接仿真主要考察的是移動的一個熱源，隨著時間在空間而不斷的移動，熱量加載到物體的表面來模擬焊接，結果查看的是隨時間變化的溫度，進一步查看的是由溫度產生的應力，更進一步查看溫度產生的殘余應力。 焊接仿真在實際使用中越來越多的得到了應用，一般關注的為焊接的溫度和殘余應力或者變形。根據目前關于焊接類型的仿真分析，結合個人經驗，總結了以下幾點分析類型和要點，包括不同類型的分析和部分路徑相關的分析。作者專注于ANSYS系列軟件， 所以目前所有的分析都是采用ansys來完成的，而使用ansys workbench越來越多，故以下分類的結果是在ansys workbench中完成的。
模擬焊接用的熱源分為高斯熱源、錐型熱源、雙橢球熱源、圓柱熱源等，本次主要考慮高斯熱源的應用，而其他熱源主要是模擬函數的不同所致，查找不同函數來替換即可。
1. 高斯移動熱源直接加載到焊接位置表面
這種方法是直接加載一個移動的熱源，添加到平板，主要適用于平板大，焊料少，焊料的存在與否對整體溫度影響不大，熱源加載到平板的表面
具體結果如下圖所示，添加溫度結果可以查看需要的結果。
展開 干貨 | ANSYS激光焊接過程熱應力仿真應用
激光焊接具有功率密度高、熱影響區和熱變形小、焊縫深寬比大、焊接質量高等許多優點，此外，激光焊接還具有加工區域細小、能量密度高、熱源易控制、熱影響區窄等特點。因此，激光焊接是鋼/鋁異種金屬的理想焊接方法。
利用Ansys Workbench仿真平臺可直接對焊接過程進行熱固耦合數值求解，進而得到給定工藝參數條件下的溫度場和應力場分布。示意簡單模型如下：
幾何模型
仿真過程中，對于模型三個部件，采用掃描方法劃分六面體網格，板材厚度方向上，定義三層網格以捕捉彎曲變形效果；材料選用普通結構鋼。
網格模型
1.激光焊過程瞬態熱分析
為了仿真激光焊接過程產生的熱場分布，必須建立精確地熱源。對于這種移動熱源施加問題，可以借助ANSYS軟件的ACT工具“Moving_Heat_Flux”實現高斯熱源載荷設置：移動熱流率或移動熱能量兩種方式。
移動熱流率源載荷：
熱動熱能量源載荷：
本案例中，采用移動熱流率載荷，熱源移動速度為5 mm/s，從初始時刻起，作用總時間44 s，激光能流量強度為7.5 w/mm2，作用區域半徑5 mm。結構外表面設置對流換熱條件，環境溫度22度。
展開 
用Simufact.welding做焊接仿真 - 一個汽車零部件的焊接過程
今天的案例，是一個用Simufact.welding完成的焊接仿真的例子，是汽車零部件的某一段，如下圖所示：
模型的設置如下圖所示，總共四條焊縫，頂蓋與上下片之間的圓形焊縫，分成了兩個半圓，分別從一段焊至半圓的另一端，然后再將上片與下片的兩側連接處進行焊接。
值得一提的是，該模型的網格細節。在三部分（頂蓋，上片和下片）接觸處的網格節點都是自由劃分的，在Hypermesh中完成該網格的劃分只需要幾個簡單的步驟。導入之后，設置一個網格尺寸，就可以進行thin solid的總體六面體網格自動劃分，五分鐘內完成。最后分別導出成網格文件，導入進Simufact.welding中。而對于四條焊縫的網格，則是在Simufact.welding中自動生成的。
眾所周知，網格對于有限元計算是至關重要的，不僅關系到結果的精確度，更直接的會導致計算是否收斂，能否正常結束的問題。所以，在焊接計算中，往往前處理劃分網格、焊接的設置及夾具的添加等等會占用很多時間。而Simufact.welding軟件的兩個優勢，一個是網格不需要節點匹配，另一個是焊接網格的自動生成，能夠極大地提高前處理所占用的時間，具有很明顯的應用價值。
在完成所有的前處理工作后，如下圖所示，這里我就不重復軟件操作的過程了，大家對軟件操作有疑問的可以參考我發的另一個關于基礎操作教程的帖子。
在計算中，開啟網格自動的細化和粗化。
在Intel Core i7處理器上采用兩個核并行計算，計算總時間為1h20min（設置好之后提交電腦進行計算，然后看一集電視劇的功夫就可以回來看結果啦~ ）。如下圖的溫度和變形的結果：
變形的結果中，顯示了夾具的作用力的方向。及焊接完成后，有一段的自由冷卻時間，將夾具等邊界條件進行卸載，查看自由狀態下的變形情況。
展開 基于ANSYS的某焊接件兩焊縫在順序焊接過程中的分析（生死單元應用案例）
例如，在焊接分析過程中，隨著高溫焊料的加入，坡口處的單元需要不斷地被激活；在材料斷料分析中，隨著裂紋的延伸，斷裂處的單元需要不斷的被殺死；在隧道挖掘和橋梁建立分析中，材料也需要不斷的被殺死或激活。因此，單元的生死應用技術廣泛的存在于ansys仿真分析中，是一項應用非常廣泛的技術。
單元的生死并不是ansys程序將殺死單元對應的實體從模型中刪除，或者激活重新生成材料，而是通過將其剛度矩陣，或者傳導矩陣（對應于不同的分析），乘以很小的因子（ESTIF），默認值為1E-6。死單元的單元載荷將為0，從而不對載荷向量生效，等效于將單元殺死；同樣，當一個單元被重新激活時，其剛度，單元載荷等恢復其原始的數值，重新激活的單元也沒有應變記錄，在熱分析里面沒有熱量存儲。需要注意的是，生死單元對大部分單元可以應用，然而對某些單元卻是不可用的。
在一些情況下，單元生死狀態可以根據ansys的計算結果決定。如在斷裂分析中，我們需要將應力值大于材料屈服強度的單元殺死，可以利用Etable選擇相應的單元進行殺死，繼而返回到求解器進行求解，如果如此循環，則可觀察到裂紋的生長過程。
可以在大多數靜態和非線性瞬態分析中使用單元生死，其基本分析與相應的分析過程是一致的，主要包括三個步驟：建模，施加載荷并求解，查看結果。
今年隨著ANSYS19.0的推出，也帶來了一個好消息：ANSYS V19.0在Workbench界面下新增了網格生死功能。以往我們只能在經典界面下進行網格生死操作，或者在Workbench界面下借助APDL來實現網格生死，這種操作既不方便又容易出錯。V19.0以后的版本用戶可以通過簡單的菜單操作在WB界面下實現網格生死功能。
展開 設計仿真 | Simufact焊接工藝仿真變形精確預測汽車結構
，與實際掃描結果對比，仿真結果與實際結果一致性較好，驗證了Simufact welding焊接變形仿真分析的可靠性；
● 通過Simufact welding對白車身側圍外板激光焊接過程的仿真分析，與實際掃描結果對比，仿真結果與實際變形結果對應較好，再次驗證了Simufact welding焊接變形仿真分析的可靠性；
● 通過Simufact welding對焊接工藝過程的仿真，可以對焊接工藝參數、工裝夾具、焊接順序、焊接方向等進行仿真分析，可以對焊接變形、焊接殘余應力、熔池、熱影響區、相組織、溫度場等進行仿真分析，代替或減少物理試錯，節省人力、物力，縮短研發周期，助力焊接工藝開發。
展開 ［轉自技術鄰］用Simufact.welding做焊接仿真 - 一個汽車零部件的焊接過程
［本文轉自技術鄰］今天的案例，是一個用Simufact.welding完成的焊接仿真的例子，是汽車零部件的某一段，如下圖所示：
模型的設置如下圖所示，總共四條焊縫，頂蓋與上下片之間的圓形焊縫，分成了兩個半圓，分別從一段焊至半圓的另一端，然后再將上片與下片的兩側連接處進行焊接。
值得一提的是，該模型的網格細節。在三部分（頂蓋，上片和下片）接觸處的網格節點都是自由劃分的，在Hypermesh中完成該網格的劃分只需要幾個簡單的步驟。導入之后，設置一個網格尺寸，就可以進行thin solid的總體六面體網格自動劃分，五分鐘內完成。最后分別導出成網格文件，導入進Simufact.welding中。而對于四條焊縫的網格，則是在Simufact.welding中自動生成的。
眾所周知，
網格對于有限元計算是至關重要的，不僅關系到結果的精確度，更直接的會導致計算是否收斂，能否正常結束的問題。所以，在焊接計算中，往往前處理劃分網格、焊接的設置及夾具的添加等等會占用很多時間。而Simufact.welding軟件的兩個優勢，一個是網格不需要節點匹配，另一個是焊接網格的自動生成，能夠極大地提高前處理所占用的時間，具有很明顯的應用價值。
在完成所有的前處理工作后，如下圖所示，這里我就不重復軟件操作的過程了，大家對軟件操作有疑問的可以參考我發的另一個關于基礎操作教程的帖子。
在計算中，開啟網格自動的細化和粗化。
在Intel Core i7處理器上采用兩個核并行計算，計算總時間為1h20min（設置好之后提交電腦進行計算，然后看一集電視劇的功夫就可以回來看結果啦~ ）。如下圖的溫度和變形的結果：
變形的結果中，顯示了夾具的作用力的方向。及焊接完成后，有一段的自由冷卻時間，將夾具等邊界條件進行卸載，查看自由狀態下的變形情況。
展開 設計仿真 | 直播預告-Simufact welding焊接工藝仿真軟件培訓
長期以來，對于焊接工藝的改進和優化主要依靠工藝人員的經驗和各類工藝試驗，一直缺乏一套專業的有效的方法和手段。
隨著計算機技術的發展和有限元理論的逐漸成熟，焊接模擬仿真技術已經開始成為在焊接工藝優化改進過程中的良好手段和方法。通過焊接工藝仿真可以解決焊接過程中零件變形難以控制的問題，還可以降低對人員技術的要求，降低試驗成本，加強測量和評估焊接殘余應力。
海克斯康工業軟件旗下Simufact Welding軟件致力于通過有限元法解決焊接過程中出現的各類問題，至今已有超過20年的工程應用。本期直播將結合實際操作，展示Simufact welding焊接軟件是如何為客戶的焊接工藝參數優化、焊接工裝設計、焊接順序優化等提供參考依據和指導。歡迎預約報名！
展開 ESI集團SYSWELD焊接仿真軟件更新！針對船舶行業大型部件焊接變形提供更優解決方案
對于造船業，SYWELD 2019有助于預防或減輕焊接引起的扭曲，減少試制所需的成本和時間。 軟件新的開發確保了大型焊接件中厚板及多道焊的變形控制，解決船舶業中焊接變形的常見問題。
針對車間生產，SYSWELD 2019可以通過簡化的直觀界面提供焊接順序計劃的優化，提供專用的自動網格劃分功能和簡單的模型設置。 制造工程師可以快速識別主要負責變形的焊縫，并研究各種工藝參數變化的影響，包括排序，夾緊和預熱。
Conclusion
?基于殼體、實體、殼體/實體網格，大型工業模型可進行自動網格劃分和簡單的模型設置；
?快速評估導致主要變形的焊縫；
?簡化、直觀的解決方案以便缺少FEA經驗的用戶進行分析。
Benefits
?通過用戶定義的標準自動進行焊接順序優化從而控制大型焊接組件中的變形；
?允許用戶快速研究更改焊接順序，夾緊，預熱等造成的影響；
?防止焊接引起的變形，保證交付時間和成本控制。
The following engineer tools have been updated：
?工具箱CD-ROM：包含教程，用戶指南和工程指南（英文版本）。
?工程指南：涵蓋所需的背景知識，您可以立即動手解決焊接和裝配及熱處理問題。
展開 設計仿真 | Simufact焊接工藝仿真變形精確預測汽車結構
，與實際掃描結果對比，仿真結果與實際結果一致性較好，驗證了Simufact welding焊接變形仿真分析的可靠性；
● 通過Simufact welding對白車身側圍外板激光焊接過程的仿真分析，與實際掃描結果對比，仿真結果與實際變形結果對應較好，再次驗證了Simufact welding焊接變形仿真分析的可靠性；
● 通過Simufact welding對焊接工藝過程的仿真，可以對焊接工藝參數、工裝夾具、焊接順序、焊接方向等進行仿真分析，可以對焊接變形、焊接殘余應力、熔池、熱影響區、相組織、溫度場等進行仿真分析，代替或減少物理試錯，節省人力、物力，縮短研發周期，助力焊接工藝開發。
展開 
設計仿真 | Simufact Welding焊接工藝仿真網格劃分技巧
1 網格劃分基本概述
對于每個有限元（FE）仿真而言，必須將連續工件空間離散化為有限數量的單元。這些單元代表了真實工件的質量、剛度等方面的物理特性。空間離散化也稱為網格劃分。通常，網格劃分由網格生成器執行。網格對整個求解分析起著至關重要的左右，主要體現在以下幾個方面：
01 網格數量影響到求解的精度和效率
常規來說，在電腦配置足夠的情況下，網格數量越多，模擬得到的結果越為精確，但是當網格數量達到一定數量后，結果精度不再隨著網格數量的增加而增加，并且求解時間也越久，通常情況下，我們需要平衡整個求解過程的求解效率和求解精度，這就需要我們控制網格數量。
02 網格類型影響計算結果
不同的求解類型需要的網格類型是不一樣的，在焊接模擬分析中，我們常用的網格單元是六面體單元，但有時候也會因為模型的復雜程度，選擇不同的采用四面體單元進行模擬分析。
03 網格連續性
在實際焊接過程中，各零部件間是相互接觸的，可能隨著焊接的進行而分離，在大部分模擬軟件中，會要求保證各零件間的網格連續性，即節點耦合，但這不僅僅脫離了實際焊接過程中的情況，也會極大的增加焊接網格劃分的工作量，在Simufact Welding軟件中，其基于Marc的專業求解器，基于其優異的非線性求解分析功能和強大的網格自適應接觸功能，能夠使得各零部件間的網格不連續，即各零件間單獨進行網格劃分，無需進行網格連續的操作劃分。
Simufact Welding的網格不連續功能
2 Simufact Welding網格類型
在Simufact Welding中，我們常用的實體網格類型共有4種，分別為：六面體 (7)、實心殼體（185）、四面體（157）、四面體（134）。
一般而言，六面體單元精度是最好的，同時單元數量也較少。
展開 設計仿真 | Simufact Welding焊接工藝-結構一體化仿真分析方案
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.
展開 基于InteWeld的焊接模擬仿真
摘 要：主要研究了基于InteWeld的焊接模擬仿真技術。首先，采用合理的焊接工藝及措施，對石油鉆機自動化設備中的支撐臂進行焊接。其次，以設置相同的焊接工藝和控制措施為前提，使用軟件InteWeld對支撐臂進行焊接虛擬仿真，獲得零件的整體變形結果。最后，對比實際生產測量值與軟件仿真計算結果，驗證使用InteWeld進行焊接模擬仿真所獲結果的準確性，為后續該項技術的推廣提供依據。
關鍵詞：支撐臂;焊接仿真;網格劃分;焊接變形;
0 引言
焊接技術是目前應用最廣泛的材料連接方式之一，同時也是歷史非常悠久的制造工藝[1]。隨著時代的發展，工程師們逐漸意識到焊接質量的好壞關乎鋼結構產品制造的成敗[2]。如何高效地提升焊接質量是工藝工程師們追求解決的核心。
而現階段，隨著計算機技術的發展，焊接模擬仿真技術應運而生，它的發展對生產制造具有十分重要的意義[3]。焊接三維仿真技術在我公司有廣泛的應用空間，隨著我公司各類新產品的增加，對結構件焊接的應力、變形、強度提出更高的要求。目前，已經多次遇到相關問題，按照以往的工藝設計經驗生產效率低下，因此需要采用先進的分析軟件加強工藝設計手段，縮短產品的研發制造周期[4]。
本文選取石油鉆機自動化設備中的支撐臂進行焊接和模擬仿真對比分析。由于其結構特點為長桿型，焊接時熱量集中，結構具有一定的拘束度，且板厚較薄，焊后易變形，因此需要采用合理的焊接工藝及措施控制焊接變形。本文對支撐臂進行三維建模、有限元網格劃分，并利用軟件InteWeld進行焊接模擬仿真。將仿真計算結果與實際焊接變形量進行對比，驗證仿真結果的可靠性，可為后續使用此項技術研究焊接變形提供重要的依據和可靠的數據支撐。
1 支撐臂的焊接
以石油鉆機自動化設備中的支撐臂作為焊接生產實例。支撐臂是典型的長桿結構，其三維模型如圖1所示。
展開 ESI集團SYSWELD焊接仿真解決方案更新！熱處理仿真分析能力大大提升
今日為您介紹ESI集團焊接模擬仿真軟件SYSWELD 2019在熱處理仿真的進一步優化，工藝工程師可以在工藝開發階段創建更加真實的虛擬結構來代替實驗，提高產品制造質量及縮短開發周期。
SYSWELD是一款專注于焊接結構件及裝配件材料特性、微觀組織、殘余應力及變形分析的焊接及熱處理仿真軟件。它可以用于不同的焊接方法（弧焊、電子束焊、激光點焊等）、熱處理（滲碳、碳氮共滲、淬火）、相關物理現象（化學、熱、相變、力學）的仿真分析。
在最新版中，ESI集團增強了SYSWELD2019的焊接及熱處理仿真能力，進一步提高了材料特性、殘余應力、變形的預測能力，為構件尺寸工差和產品性能控制提供幫助。
最新版對網格能力進行了更進一步的增強，顯著降低焊接及熱處理網格劃分的時間。
新版本支持新的接觸算法NIT3D，利用該算法可以考慮部件局部熔化的接觸行為。新版本還支持熱處理-機加鏈式仿真分析。新版本支持多工序仿真過程中焊接及熱處理仿真數據的智能傳遞。
SYSWELD的價值在于通過考慮焊接、焊接裝配、熱處理的鏈式仿真來減少傳統物理實驗，控制優化材料特性、焊接順序及焊接完整性，提高產品質量、性能和服役時間。
來源： ESI集團
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