ansys焊接數(shù)值模擬的案例
鋼結(jié)構(gòu)焊接的Ansys數(shù)值模擬
摘 要：鋼結(jié)構(gòu)主要的連接方法為焊接連接。準(zhǔn)確的焊接模擬對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力、焊接變形等分析具有重要的意義。利用Ansys軟件可以實(shí)現(xiàn)焊接的數(shù)值模擬。把焊接模擬的溫度場(chǎng)、焊接溫度動(dòng)態(tài)變化過程等數(shù)值模擬結(jié)果與前人試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，采用Ansys軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模、并結(jié)合生死單元技術(shù)模擬焊接過程，求解溫度場(chǎng)與應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，其結(jié)果與實(shí)際焊接情況具有高度的一致性，溫度場(chǎng)與雷卡林試驗(yàn)溫度場(chǎng)吻合較好；焊縫附近各點(diǎn)的溫度變化與橫截面上的殘余應(yīng)力結(jié)果，與實(shí)際焊接情況相符。此結(jié)論為Ansys軟件進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)的焊接模擬的可靠性分析提供了實(shí)用的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；Ansys數(shù)值模擬 ；焊接溫度場(chǎng)；殘余應(yīng)力
引言
眾所周知，鋼結(jié)構(gòu)的主要連接方法為焊接連接、螺栓連接和鉚釘連接，其中焊接連接是最為常見的、應(yīng)用最多的連接方法之一[1]。在眾多的焊接方法當(dāng)中，電弧焊由于設(shè)備輕便、搬運(yùn)靈活、適合于鋼結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)等特點(diǎn)，成為主要的焊接方法。電弧焊就是在鋼構(gòu)件連接處，借助電弧放電所產(chǎn)生的高溫，將置于焊縫部位的焊條或焊絲金屬熔化，同時(shí)將工件的表面熔化，形成焊接熔池，將兩塊分離的金屬熔合在一起，從而獲得牢固接頭的焊接方法。
焊接過程中，熔池內(nèi)形成高溫液態(tài)金屬，熔池外部熱影響區(qū)和母材區(qū)域固體傳熱，導(dǎo)致焊接前后溫度的劇烈變化，從而在焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余應(yīng)變，外部產(chǎn)生殘余變形[2]。在某種程度上，殘余應(yīng)力會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的承載能力，殘余變形會(huì)導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)施工安裝困難，殘余應(yīng)變?cè)谑褂眠^程中的釋放會(huì)影響到結(jié)構(gòu)后期的正常使用。所以研究鋼結(jié)構(gòu)焊接過程具有很大的實(shí)際意義。
計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展推動(dòng)了數(shù)值模擬在結(jié)構(gòu)焊接中的應(yīng)用[3]。焊接數(shù)值分析軟件也日趨增多，其中Ansys由于功能強(qiáng)大、計(jì)算結(jié)果可靠、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，成為目前土木工程領(lǐng)域常用的有限元軟件之一。
展開 【CAE案例】雙金屬焊接基準(zhǔn)數(shù)值模擬
01 案例研究背景
工業(yè)上眾多的制造和維修業(yè)務(wù)都涉及到焊接，所以在預(yù)測(cè)焊接操作所產(chǎn)生的冶金學(xué)和力學(xué)影響方面有極大的研究?jī)r(jià)值。
圖1
雙金屬焊接（LBM）是指將有涂層的鐵素體鋼大型構(gòu)件和EPR管道系統(tǒng)（CPP）中奧氏體不銹鋼管道組合。由于沒有同時(shí)適用這兩種材料的焊料，需要一個(gè)中間層來增強(qiáng)可焊性，增加焊接強(qiáng)度，減少開裂的概率。
工藝流程包括：倒角的機(jī)械加工，中間層焊接，然后進(jìn)行多道次的連續(xù)焊接操作，熱應(yīng)力消除處理（TTD），最后再次進(jìn)行機(jī)械加工。
圖2
02 研究主旨
MSNS計(jì)劃是EDF-CEA-AREVA三方的合作項(xiàng)目。項(xiàng)目通過實(shí)驗(yàn)、建模、數(shù)值模擬三個(gè)方面來研究焊接，旨在研發(fā)一種更簡(jiǎn)單，可靠，且不保守的方法，改善現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)和模型，使對(duì)殘余應(yīng)力的計(jì)算更接近真實(shí)情況，提高計(jì)算軟件(Code_Aster、SYSWELD、CAST3M）的效率，建立一個(gè)良好的案例作為參照。
為此，首先應(yīng)該更好地了解冷和熱條件下的斷裂機(jī)制，然后建立一個(gè)能防止出現(xiàn)焊接故障的方法和模型，優(yōu)化創(chuàng)新的數(shù)值計(jì)算工具。
本次模擬將采用歐洲ADIMEW項(xiàng)目（評(píng)估不同金屬管道焊接老化后的完整性項(xiàng)目）中的雙金屬焊接的基準(zhǔn)。ADIMEW的模型參考法國核電站中比較有代表性的V形倒角焊縫，有大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。
模擬得到的殘余應(yīng)力曲線將會(huì)與合作方的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較。
03 建模
圖3 ADIMEW模型
模擬焊接過程分為三個(gè)步驟：
• 計(jì)算溫度場(chǎng)
• 在原有溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上考慮固液相變
• 計(jì)算機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)
幾何模型采用2D旋轉(zhuǎn)對(duì)稱模型（圖3），這種簡(jiǎn)化方法常用于管件端部焊接。對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算和機(jī)械場(chǎng)計(jì)算分別采用了線性網(wǎng)格和二次型網(wǎng)格。
展開 焊接簡(jiǎn)化數(shù)值模擬方法的對(duì)比
熱彈塑性有限元法是焊接數(shù)值模擬的基本方法，該方法跟蹤整個(gè)焊接過程，已給定的時(shí)間不長(zhǎng)，計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻的焊接溫度場(chǎng)，以及計(jì)算出每個(gè)時(shí)間段由于溫度變化引起的應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽浚鸩嚼塾?jì)疊加，最終得到的則為殘余應(yīng)力與變形。因此該方法同上也可以分析焊接過程中任何時(shí)刻的瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。該方法從原理上可以分析任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力與變形，但其缺點(diǎn)是計(jì)算量太大和時(shí)間太長(zhǎng)，因而對(duì)于一些大型焊接結(jié)構(gòu)還難以完全實(shí)現(xiàn)。
焊接殘余應(yīng)力與變形產(chǎn)生的根本原因是焊接和冷卻過程中產(chǎn)生的塑性應(yīng)變、溫度應(yīng)變和應(yīng)變。對(duì)于大型構(gòu)件的焊接變形問題，產(chǎn)生塑性應(yīng)變、溫度應(yīng)變和相變應(yīng)變的區(qū)域通常僅限于焊縫附近，而焊縫區(qū)在整個(gè)構(gòu)件中所占的比例是相當(dāng)小的，故可以將整個(gè)構(gòu)件近似為彈性體來處理，在焊縫區(qū)施加與塑性應(yīng)變、溫度應(yīng)變和相變應(yīng)變等效的邊界條件，通過彈（塑）性有限元分析得到構(gòu)件的殘余應(yīng)力與變形的近似值。這種簡(jiǎn)化手段避免了數(shù)值模擬過程中的瞬態(tài)分析和高溫導(dǎo)致的計(jì)算難點(diǎn)，大幅度地縮短了計(jì)算時(shí)間，可以得到具有一定準(zhǔn)確度的殘余應(yīng)力和變形值，因而得到了一定的應(yīng)用。這種彈性體加載的簡(jiǎn)化方法，根據(jù)對(duì)焊縫施加的邊界條件的性質(zhì)不同，可以分為體積收縮法、收縮力法、彈簧單元法和固有應(yīng)變法，下面分別作簡(jiǎn)單介紹[22]。
2.3.1收縮力法
在焊接時(shí)，焊縫及其附近的金屬由于高溫下的自由變形受到阻礙，產(chǎn)生了壓縮塑性變形，它的存在使構(gòu)件相當(dāng)于受到一個(gè)外加壓力的作用而縮短和彎曲。該假想壓力被稱為焊縫收縮力。收縮力的大小主要取決于焊接過程參數(shù)以及材料的熱力特征值其次決定于構(gòu)件的剛度和焊接接頭的熱流。
焊接過程的主要參數(shù)是熱輸入量和焊接速度v。根據(jù)（2-27）時(shí)組合成單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入量，收縮力與單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入量存在近似公式。
展開 基于sph—fem結(jié)點(diǎn)耦合沖擊焊接數(shù)值模擬
本文通過Ls-dyna軟件，建立以Johnson-cook 本構(gòu)關(guān)系和Grüneisen 狀態(tài)方程為熱塑性流體力學(xué)模型，由于完全利用sph算法會(huì)大大增加時(shí)間成本，最后運(yùn)用SPH和ALE耦合的方法，并分析了一組關(guān)鍵參數(shù)沖擊速度、碰撞角度對(duì)焊接界面的影響。借此作為實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，減少不要的實(shí)驗(yàn)成本。
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ABAQUS低碳鋼薄板單道堆焊焊接變形的數(shù)值模擬 ￥5
ABAQUS低碳鋼薄板單道堆焊焊接變形的數(shù)值模擬
【EDF開源CAE】Code_Aster在雙金屬焊接基準(zhǔn)數(shù)值模擬的應(yīng)用
為研究不停堆直接進(jìn)行維修加固的可能性，需要對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下（600℃）的蒸汽發(fā)生器脊柱維修進(jìn)數(shù)值建模和模擬。
02
案例展示
本案例建立了一個(gè)在焊接后的脊柱模型，評(píng)估其在四點(diǎn)彎曲的情況下，能量釋放率G、彈性和彈塑性材料性質(zhì)、殘余應(yīng)力對(duì)能量釋放率的影響。模擬的結(jié)果將由不同計(jì)算軟件和J積分進(jìn)行基準(zhǔn)。
【預(yù)知如何設(shè)置參數(shù)請(qǐng)掃文末二維碼關(guān)注"遠(yuǎn)算云學(xué)院”】
【預(yù)知計(jì)算結(jié)果請(qǐng)掃文末二維碼關(guān)注"遠(yuǎn)算云學(xué)院”】
04
結(jié)語
計(jì)算的能量釋放率G由假定應(yīng)變能密度導(dǎo)出，同樣由應(yīng)變能也可以計(jì)算應(yīng)力情況。由于模型的假設(shè)限制計(jì)算結(jié)果有一定局限性：
1）計(jì)算結(jié)果實(shí)際上不能描述不可逆的塑性變形，僅適用于超彈性和非線性彈性行為。結(jié)果不包含任何局部卸載的卸載過程，也不包括任何局部應(yīng)力的重構(gòu)。
2）假設(shè)應(yīng)力的加載路徑保持radial以保證主應(yīng)力的比例不隨時(shí)間變化。全局單調(diào)的加載，顯然不足以保證模型在非均勻應(yīng)力場(chǎng)下的表現(xiàn)。
展開 EDF開源CAE | Code_Aster在雙金屬焊接基準(zhǔn)數(shù)值模擬的應(yīng)用
圖7
06
計(jì)算結(jié)果
圖8
計(jì)算效率結(jié)果
07
結(jié)論與展望
本次案例對(duì)有多道次焊接的雙管道連接工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，且對(duì)三方計(jì)算得到的殘余應(yīng)力進(jìn)行了質(zhì)量比較；殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)良好。
對(duì)于該模擬還可以繼續(xù)改進(jìn)，比如引入大變形假設(shè)，固態(tài)硬化修復(fù)，相變，機(jī)械加工，對(duì)材料進(jìn)行更真實(shí)的建模。應(yīng)用于其他焊接系列的通用研究（例如：均質(zhì)接頭），通過重新焊接進(jìn)行維修的情況。本次模擬展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性，該模擬將可以用于維修焊接，以及其他工程應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
Chertra M, Sofiane H, Robin V, Josselin D.
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ANSYS的生死單元模擬焊接過程
ANSYS的生死單元模擬焊接過程
1 概述
焊接模擬計(jì)算在CAE仿真是比較大的一塊內(nèi)容，也是比較復(fù)雜的一個(gè)過程，幾個(gè)比較關(guān)鍵的問題是熱源函數(shù)的描述、單元的融覆、熱源的移動(dòng)等等，通過單純的GUI操作，無論使ANSYS還是Abaqus都不大可能完成這個(gè)過程，通常需要借助軟件的內(nèi)置語言。
本次主要介紹單元生死的應(yīng)用，單元生死主要用于單元缺失的場(chǎng)合，比如凝固溶解過程，斷裂過程，焊接過程等等，這些過程都是非線性或者時(shí)間歷程過程，計(jì)算需要很多子步和迭代，為了在此過程中避免一遍一遍修改單元，便引入生死單元的概念，通俗的講就是通過一些方法讓單元失效，具體的改變是單元的彈性模量的改變，當(dāng)單元死時(shí)，修改其彈性模量為非常小的值，讓其在求解過程中不起作用。
詳細(xì)地說，激活單元死這個(gè)狀態(tài)時(shí)，ANSYS程序?qū)卧獎(jiǎng)偠染仃嚦艘院苄〉囊蜃樱绦蚰J(rèn)值為1E-6，死單元的單元載荷為0，從而不對(duì)載荷向量生效，同樣的，死單元的質(zhì)量、阻尼、比熱等等參數(shù)也設(shè)置為0，單元的應(yīng)力應(yīng)變也因此為0。
2 前處理
前處理包括單元定義、材料定義和建模，單元定義是需要注意單元屬性，此次定義13號(hào)二維耦合單元，具有溫度和位移自由度。
材料屬性包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱參數(shù)，具體包含彈性模量，泊松比，屈服強(qiáng)度，塑性屬性，材料密度，熱膨脹系數(shù)，熱傳導(dǎo)系數(shù)，比熱容。焊接時(shí)溫度較高，定義材料通常需要定義多個(gè)溫度下的值。
展開 ANSYS生死單元之焊接過程模擬
在ansys計(jì)算過程中，如果需要向模型中加入（或刪除）實(shí)體，模型中對(duì)應(yīng)實(shí)體部位的單元就“存在”（或消亡）。單元生死選項(xiàng)就用于在這種情況下殺死或重新激活選擇的單元。
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(yīng)用技術(shù)廣泛的存在于ansys仿真分析中，是一項(xiàng)應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)。
單元的生死并不是ansys程序?qū)⑺绬卧獙?duì)應(yīng)的實(shí)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(dǎo)矩陣（對(duì)應(yīng)于不同的分析），乘以很小的因子（ESTIF），默認(rèn)值為1E-6。死單元的單元載荷將為0，從而不對(duì)載荷向量生效，等效于將單元?dú)⑺溃? 同樣，當(dāng)一個(gè)單元被重新激活時(shí)，其剛度，單元載荷等恢復(fù)其原始的數(shù)值，重新激活的單元也沒有應(yīng)變記錄，在熱分析里面沒有熱量存儲(chǔ)。需要注意的是，生死單元對(duì)大部分單元可以應(yīng)用，然而對(duì)某些單元卻是不可用的。
在一些情況下，單元生死狀態(tài)可以根據(jù)ansys的計(jì)算結(jié)果決定。如在斷裂分析中，我們需要將應(yīng)力值大于材料屈服強(qiáng)度的單元?dú)⑺溃梢岳肊table選擇相應(yīng)的單元進(jìn)行殺死，繼而返回到求解器進(jìn)行求解，如果如此循環(huán)，則可觀察到裂紋的生長(zhǎng)過程。
可以在大多數(shù)靜態(tài)和非線性瞬態(tài)分析中使用單元生死，其基本分析與相應(yīng)的分析過程是一致的，主要包括三個(gè)步驟：建模，施加載荷并求解，查看結(jié)果。
現(xiàn)通過ansys焊接過程，講解生死單元的應(yīng)用。
兩個(gè)平板進(jìn)行對(duì)接，采用V型坡口。在焊接的過程中，焊料不斷加入坡口，進(jìn)行焊接。平板溫度采用20℃，焊料溫度采用1500℃。
展開 
ANSYS_數(shù)值模擬技術(shù)
ANSYS_數(shù)值模擬技術(shù)
穩(wěn)壓罐排水過程數(shù)值模擬（ANSYS CFX） ￥10
說明：軟件版本為ANSYS CFX 2019R3；
本文展示了穩(wěn)壓罐內(nèi)排水的瞬態(tài)過程，分別給定出口流速為3m/s和0.3m/s，對(duì)罐體內(nèi)的排水過程進(jìn)行數(shù)值模擬。本文計(jì)算模型如下圖所示，各關(guān)鍵坐標(biāo)見圖中所示，網(wǎng)格由ICEM劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，轉(zhuǎn)換為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格后沿Z向拉伸，生成三維網(wǎng)格。邊界條件：出口——流速（3m/s和0.3m/s），初始流場(chǎng)給定罐體內(nèi)水與空氣各一半（500 mm），水中壓力按照靜水壓力給定。
出口給定3m/s時(shí)計(jì)算結(jié)果如下：
出口給定0.3m/s時(shí)計(jì)算結(jié)果如下：
通過液面變化能發(fā)現(xiàn)一個(gè)不同點(diǎn)是，隨著水面降低，0.3m/s的出口流速在穩(wěn)壓罐右側(cè)并未出現(xiàn)明顯凹陷（靠近右側(cè)的），而3m/s的出口流速在穩(wěn)壓罐右側(cè)液面高度明顯低于左側(cè)。
如何解釋這一現(xiàn)象，筆者找到這樣一個(gè)參數(shù)，就是弗勞德數(shù)（符號(hào)為Fr，是水的慣性力與重力之比，是用來確定水流動(dòng)態(tài)如急流、緩流的一個(gè)量綱為一的數(shù)）。當(dāng)Fr=1時(shí)，即水的慣性力等于重力，水流為臨界流；當(dāng)Fr>1時(shí)，水流為急流，代表流速大、水流湍急的流動(dòng)狀態(tài)。
通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)壓罐水面高度高于100mm時(shí)，0.3m/s的出口流速下弗勞德數(shù)是小于1的，而3m/s的出口流速下弗勞德數(shù)是大于1的，因此按照這樣的判斷方式可以能夠一定程度上解釋兩種液面變化的不同之處。
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展開 基于Ansys的鋼箱梁焊接有限元模擬
而鋼箱梁一般是由工廠預(yù)制加工的，加工過程中必然會(huì)有鋼板間的接縫需要進(jìn)行焊接，使兩塊獨(dú)立的鋼板焊接成一個(gè)整體。在鋼箱梁的鋼板焊縫焊接過程中，移動(dòng)的焊頭會(huì)在瞬間產(chǎn)生高度集中的熱量輸入，熱量的快速集中輸入會(huì)導(dǎo)致鋼板溫度的驟升與驟降。鋼屬于一種溫度敏感型的材料，受熱升溫時(shí)其體積會(huì)膨脹，降溫時(shí)體積會(huì)收縮，體積的變化會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力分布的變化，鋼箱梁結(jié)構(gòu)的安全性也可能受到影響。所以若想了解鋼箱梁焊接時(shí)的應(yīng)力分布變化，保證鋼箱梁結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性，有必要對(duì)焊接溫度場(chǎng)的定量分析、預(yù)測(cè)、模擬。傳統(tǒng)的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力預(yù)測(cè)依賴于試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)曲線或經(jīng)驗(yàn)公式，但是在航天、機(jī)械、土木等行業(yè)，焊接試驗(yàn)的成本巨大，當(dāng)試驗(yàn)的工況較多或者試驗(yàn)失敗時(shí)，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)上的巨大損失。故本章運(yùn)用大型商業(yè)有限元軟件ANSYS經(jīng)典界面進(jìn)行數(shù)值模擬，在研究過程中利用了ANSYS內(nèi)置的腳本語言APDL進(jìn)行建模，分析鋼板焊接過程的溫度場(chǎng)。
1 鋼板幾何模型建立
為了簡(jiǎn)化鋼箱梁的形狀，節(jié)約數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)的成本，本章將鋼箱梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)為0.2m、寬為0.15m、厚度為0.03m的塊狀幾何模型，ANSYS中的幾何模型效果如下圖所示。
在上圖的模型中，筆者標(biāo)明了坐標(biāo)系系統(tǒng)，在本章此后的位置信息的描述中，均采用此坐標(biāo)系系統(tǒng)。
2 移動(dòng)焊接熱源的施加
在鋼板焊接過程中，焊點(diǎn)熱源作用在鋼板上有一定面積，在該面積上的熱量分布不是均勻的，中心點(diǎn)附近的熱量較高，周圍的熱量較低。對(duì)于該種焊接熱源的不均勻分布，現(xiàn)今很多學(xué)者將該熱源的分布形式簡(jiǎn)化為高斯積分函數(shù)，本章參考前人的研究，采用高斯熱源分布函數(shù)。
熱源函數(shù)的三維函數(shù)圖像如下圖所示（假設(shè)qm=1 J·s /m2，R=1m）。
展開 ANSYS在土工數(shù)值模擬中的應(yīng)用
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