设计仿真 | 圆管法兰使用 Marc 进行装配增材制造
预测焊接和增材制造（AM）中的残余应力和变形对于确保制造部件的质量非常重要。但是，使用热-机械耦合分析模拟大型焊接组件或多层AM零件非常耗时。采用固有应变法进行焊接或增材制造模拟时，可以对焊接、增材制造等工艺变形、应力进行快速结构响应。在该方法中，使用固有应变作为结构边界条件，模拟了塑性应变、热应变、蠕变应变和相变应变的组合效应。在焊接过程中受到高温的组件部分称为热影响区。根据应用需求，有两种方式可以定义热影响区方法如下：
a)直接定义-热影响区由用户选择定义，选择对应单元分配固有应变；
b)焊接运动学-在这种方法中，热影响区位于移动焊接池尺寸内的积分点被指定为固有应变。
有限元模型如图1所示。该模型由圆形管道（底板）组成，法兰（am_flange）通过金属沉积形成。本分析的目的是使用固有应变边界条件模拟金属沉积过程。该模拟的结果给出模型中变形和残余应力的合理估计。本案例只介绍其直接定义法来完成，关于焊接运动学的定义参照案例“Marc2022.3 用户手册 e125案例”。
图1 模型组成
2.1
固有应变定义
为每个待沉积焊接层设置固有应变边界条件。输入3个方向固有应变分量，其不同方向的固有应变数值可以通过试件的标定获取，其固有应变方向和单元材料坐标系一致。选择第一层单元如图2所示。然后依次单元第二、三、四层单元如图3所示。
图2 固有应变定义
图3 定义固有应变的4层单元
同时做如下操作:
a）在Marc界面“分析任务”菜单下“停用”选项中停用所有定义的各层固有应变单元
b) 为每一层创建一个分析工况。
c) 在每种载荷情况下，指定固有应变边界条件，激活一层单元。
d) 在“分析任务”菜单中按顺序选择所有依次定义的”分析工况”，并要求提供应力和应变结果。
2.2
单元类型及材料定义
底板和法兰模型网格均采用7号实体单元。
整个模型所用材料为316L不锈钢。材料数据在.umt文件中提供，提供了材料数据适用于293.15至1673.15°K的温度范围的力学参数、包括随温度变化的模量、泊松比、热膨胀系数及流变曲线等，定义方式见下图4。
初始常温参数为：
杨氏模量1.92372×105 MPa
泊松比0.3
热膨胀系数1.4560×10-5/°C
图4 底板、法兰模型的材料定义
2.3
接触定义
该模型由变形体和一个刚体组成，如图1所示。
a)底板-圆形钢管；
b)法兰-通过多层沉积材料建造；
c)刚体-在一端固定基板平面。
在该模拟中，底板粘接到刚体平面上，法兰逐渐粘在底板上。与接触相关的参数均设置为默认。所定义接触关系均在接触表中，接触表在“分析工况”中和“分析任务”菜单中初始接触中选择。同样的接触表也适用于所有载荷工况。
2.4
结果显示
图5 模型等效应变云图
图6 模型的等效应力云图
敬请参照 “Marc2022.3用户手册 e125 案例，案例中含所需要的数据文件。
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