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ANSYS Mechanical在焊接仿真中的應(yīng)用

ANSYS Mechanical在焊接仿真中的應(yīng)用

2018/8/17 17:21:47

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(lǐng)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(xué)等各學(xué)科的復(fù)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(yīng)力和變形等是企業(yè)制造部門和設(shè)計人員關(guān)心的重點問題。焊接過程中產(chǎn)生的焊接應(yīng)力和變形,不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過程,而且還影響焊接結(jié)構(gòu)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(dāng)大的殘余應(yīng)力和變形,影響結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸的穩(wěn)定性。因此對于焊接溫度場合應(yīng)力場的定量分析、預(yù)測有重要意義。

傳統(tǒng)的焊接溫度場和應(yīng)力測試依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗或基于統(tǒng)計基礎(chǔ)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(yù)測,從而導(dǎo)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(jié)構(gòu)分析軟件,提供了完整的分析功能,完備的材料本構(gòu)關(guān)系,為焊接仿真提供了技術(shù)保障。文中以ANSYS為平臺,闡述了焊接溫度場仿真和熱變形、應(yīng)力仿真的基本理論和仿真流程,為企業(yè)設(shè)計人員提供了一定的參考。

2 焊接數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

焊接問題中的溫度場和應(yīng)力變形等最終可以歸結(jié)為求解微分方程組,對于該類方程求解的方式通常為兩大類:解析法和數(shù)值法。由于只有在做了大量簡化假設(shè),并且問題較為簡單的情況下,才可能用解析法得到方程解,因此對于焊接問題的模擬通常采用數(shù)值方法。在焊接分析中,常用的數(shù)值方法包括:差分法、有限元法、數(shù)值積分法、蒙特卡洛法。差分法:差分法通過把微分方程轉(zhuǎn)換為差分方程來進(jìn)行求解。對于規(guī)則的幾何特性和均勻的材料特性問題,編程簡單,收斂性好。但該方法往往僅局限于規(guī)則的差分網(wǎng)格(正方形、矩形、三角形等),同時差分法只考慮節(jié)點的作用,而不考慮節(jié)點間單元的貢獻(xiàn),常常用來進(jìn)行焊接熱傳導(dǎo)、氫擴(kuò)散等問題的研究。

有限元法:有限元法是將連續(xù)體轉(zhuǎn)化為由有限個單元組成的離散化模型,通過位移函數(shù)對離散模型求解數(shù)值解。該方法靈活性強(qiáng),適用范圍廣,因此廣泛地應(yīng)用于焊接熱傳導(dǎo)、焊接熱彈塑性應(yīng)力、變形和焊接結(jié)構(gòu)的斷裂分析等領(lǐng)域。 數(shù)值積分法:該方法采用辛普生法則等方式對很難求得原函數(shù)的問題進(jìn)行積分求解,通過該方法避免了求解復(fù)雜的原函數(shù)問題,同時使用較少的點即可獲得較高的精度。

蒙特卡洛法:該方法基于隨機(jī)模擬技術(shù),對隨機(jī)過程的問題進(jìn)行原封不動的數(shù)值模擬。

焊接模擬通?;谝陨蠋追N理論對焊接熱傳導(dǎo)、熱彈塑性應(yīng)力等問題進(jìn)行模擬,而合理的選擇熱源函數(shù)和計算焊后應(yīng)力等問題則需要設(shè)計人員選擇合適的數(shù)學(xué)模型。 2.1 焊接數(shù)值模擬常用熱源模型

焊接熱過程是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素之一,因此焊接熱過程的準(zhǔn)確模擬,是準(zhǔn)確進(jìn)行焊接應(yīng)力變形分析的前提。早期對于焊接熱過程的解析,前人做了大量的理論研究工作,提出了多種熱源分布模型:

集中熱源:Rosenthai-Rykalin公式

該方法作為典型的解析方法,認(rèn)為熱源集中于一點,此方式僅對于研究區(qū)域遠(yuǎn)離熱源時較為適用,同時此方法無法描述熱源的分布規(guī)律,對于熔合區(qū)和熱影響區(qū)影響較大。


 

湃??萍?ANSYS

 


平面分布熱源:高斯分布熱源、雙橢圓分布熱源

高斯分布熱源:高斯熱源分布假設(shè)焊接熱源具有對稱分布的特點,在低速焊接時,效果良好,焊接速度較高時,熱源不再對稱分布,誤差較大。此方法適合于電弧挺度較弱及電弧對熔池沖擊較小的情況。

湃??萍?ANSYS

高斯分布雖然給出了熱源分布,但沒有考慮焊槍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


 湃??萍?ANSYS

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(hù)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(yīng)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

 

湃??萍?ANSYS

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??;加熱區(qū)域不是關(guān)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


 湃??萍?ANSYS

2.2 焊接變形模擬常用方法

由焊接產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變過程及其隨后出現(xiàn)的殘余應(yīng)力和殘余變形,是導(dǎo)致焊接裂紋和接頭強(qiáng)度與性能下降的重要因素,因此針對焊接變形與殘余應(yīng)力的計算發(fā)展出了以下幾種理論:

解析法:一維殘余塑變解析法

該方法以焊接變形理論為基礎(chǔ),確定焊接接頭收縮的縱向塑變與焊接工藝參數(shù)、焊接條件的關(guān)系,需要大量經(jīng)驗積累,此方法對規(guī)則等截面的梁型結(jié)構(gòu),較為適用

固有應(yīng)變法:固有應(yīng)變可以看成是殘余應(yīng)力的產(chǎn)生源

焊接時的固有應(yīng)變包括包括塑性應(yīng)變、溫度應(yīng)變和相變應(yīng)變。焊接構(gòu)件經(jīng)過一次焊接熱循環(huán)后,溫度應(yīng)變?yōu)榱?,固有?yīng)變就是塑性應(yīng)變和相變應(yīng)變殘余量之和。焊接時,固有應(yīng)變存在于焊縫及其附近,因此了解固有應(yīng)變的分布規(guī)律就能僅用一次彈性有限元計算來預(yù)測殘余應(yīng)力大小及結(jié)構(gòu)變形,但此方法同樣著重與焊后結(jié)構(gòu)的變形,屬于近似方法,沒有考慮整個焊接傳熱過程熱彈塑性有限元法:記錄焊接傳熱過程,描述動態(tài)過程的應(yīng)力和變形熱彈塑性有限元法首先進(jìn)行焊接熱過程分析,得到焊接結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度場,再以此為結(jié)果,進(jìn)行焊接應(yīng)力和變形計算。由于該計算為非線性計算過程,因此計算量大,一般用來研究焊接接頭的力學(xué)行為,而不用來進(jìn)行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體研究

3 焊接仿真案例

3.1 基于ANSYS Workbench平臺的焊接仿真 針對如下部件采用激光焊,以ANSYS Workbench為平臺,模擬該模型的溫度場變化和應(yīng)力場變化情況。


 湃??萍?ANSYS       

ANSYS Workbench作為統(tǒng)一的多場耦合分析平臺,支持?jǐn)?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。

 湃??萍?ANSYS

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(jié)構(gòu)鋼,在EngineerData中輸入材料參數(shù)如下:

湃睿科技 ANSYS 


ANSYS Workbench以ANSYS Meshing為基礎(chǔ)對模型進(jìn)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(jìn)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(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。


 湃??萍?ANSYS

以Workbench平臺以基礎(chǔ)對焊接過程進(jìn)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(chǔ)的移動熱源分布方式,在該插件中用戶可以指定焊槍移動速度、焊接電流、功率,焊接時間等參數(shù)。除此之外,進(jìn)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(guān)參數(shù)如下所示:

湃睿科技 ANSYS

 
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(jī)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(jié)果如下:


 湃睿科技 ANSYS

基于瞬態(tài)熱分析之上,可以進(jìn)行焊后應(yīng)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(jié)構(gòu)場進(jìn)行應(yīng)力分析。

湃??萍?ANSYS

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


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3.2 基于ANSYS經(jīng)典界面的焊接仿真

如前所述,在以Workbench為平臺進(jìn)行焊接仿真時存在諸多限制,例如無法選擇其他形式的熱源模型,因此用戶可以基于ANSYS經(jīng)典版進(jìn)行焊接仿真?;贏NSYS經(jīng)典版進(jìn)行焊接仿真時,可以以命令流的方式進(jìn)行,將焊接參數(shù)以參數(shù)方式讀入,對于優(yōu)化焊接分析,十分方便。

本例中,焊接溫度場模擬采用焊板尺寸為200mmX200mmX6mm,試件材料為Q235A,材料參數(shù)如下表所示。為保證焊透,兩塊鋼板開45°坡口。焊接方式采用電弧焊,焊接參數(shù)為:焊接電流180A,電弧電壓20V,焊接速度4.8mm/s,焊接熱輸入0.75kJ/mm,焊接效率η=0.825,結(jié)構(gòu)與空氣的換熱系數(shù)為15W/(m^2*℃)。

湃??萍?ANSYS


 
在ANSYS經(jīng)典版中建立該構(gòu)件的幾何模型,采用solid70,建立好的模型如下圖所示:

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通過MP命令建立完整的材料參數(shù)表,如下圖所示:


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湃??萍?ANSYS

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

湃??萍?ANSYS 


本例中同樣采用高斯熱源方式進(jìn)行模擬,相關(guān)焊接工藝以參數(shù)方式表達(dá),為后期優(yōu)化提供基礎(chǔ),典型的命令流如下:

湃??萍?ANSYS            


對該模型底部施加固定約束,根據(jù)APDL中設(shè)定的求解參數(shù)進(jìn)行迭代計算,迭代曲線如圖所示:

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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:

湃??萍?ANSYS

 

4 總結(jié)

通過以上介紹,以ANSYS軟件為基礎(chǔ)可以方便的進(jìn)行焊接過程的溫度場和應(yīng)力場仿真,目前在Workbench中僅支持以插件的形式進(jìn)行焊接仿真,并且只能考慮平面高斯熱源的熱源分布方式,如需考慮其他方式的熱源方式,需要以ANSYS經(jīng)典版為基礎(chǔ)進(jìn)行APDL編程,除此之外,用戶還可以采用生死單元的方式進(jìn)行焊接仿真,需要注意的是,生死單元的方式即通過控制單元生死的方式來模擬焊縫填充過程,采用該方式可以模擬較為復(fù)雜的熱輸入情況,由于熱源分布與生死單元是兩種不同的計算方式,因此不能疊加使用。

ANSYS軟件通過完整的材料本構(gòu)關(guān)系、求解能力,為焊接仿真提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障,因此設(shè)計人員可以以此進(jìn)行焊接仿真,為電流、電壓等焊接工藝參數(shù)的設(shè)置提供參考依據(jù),從而合理優(yōu)化焊接工藝。
[參考文獻(xiàn)]
[1] 焊接數(shù)值模擬技術(shù)及其應(yīng)用 汪建華

審核編輯(
王靜
)
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