ANSYS Mechanical在焊接仿真中的应用

ANSYS Mechanical在焊接仿真中的应用

 王建

[ 摘  要 ]   焊接作为一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题，采用传统的经验方式对于厚钢板的焊接等特殊工艺无法进行合理的工艺设计，因此本文针对焊接数值模拟的基本理论进行了阐述，同时对于焊接仿真与ANSYS软件的结合提出了建议，并结合实际情况详细介绍了ANSYS软件进行焊接仿真的具体应用技巧，通过采用仿真方式进行模拟，对传热过程、焊后应力场进行模拟，用来帮助确定焊接时结构和材料的最佳设计、工艺方法和焊接参数等。
[ 关键词 ]   热源模型 热弹塑性有限元法 生死单元 ANSYS
1 前言
 焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。
传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。
ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。
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高斯分布虽然给出了热源分布，但没有考虑焊移动对热源分布的影响。实际上，由于焊缝加热和冷却的速度不同，因此电弧前方的加热区域比后方的加热区域小。
双椭圆分布热源

 

体积分布热源：半椭球分布热源、双椭球分布热源
半椭球分布热源
对于熔化极气体保护电弧焊或高能束流焊，焊接热源的热流密度不光作用在工件表面上，也沿工件厚度方向作用。此时，应该将焊接热源作为体积分布热源。为了考虑电弧热流沿工件厚度方向的分布，可以用椭球体模式来描述

 

实际上，由于电弧沿焊接方向运动，电弧热流是不对称分布的。由于焊接速度的影响，电弧前方的加热区域要比电弧后方的小；加热区域不是关于电弧中心线对称的单个的半椭球体，而是双半椭球体，并且电弧前、后的半椭球体形状也不相同
双椭球分布热源

 

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ANSYS Workbench作为统一的多场耦合分析平台，支持数据协同，因此在Workbench中建立该焊接分析的耦合项目，如下图所示。

 

在本例中，仅以说明焊接仿真流程为例，因此材料假定为线弹性结构钢，在EngineerData中输入材料参数如下：

 

ANSYS Workbench以ANSYS Meshing为基础对模型进行网格划分，对于此模型中的两个焊接件和焊缝均以六面体方式进行划分，除此之外，软件还提供了大量的size function、局部控制等功能，针对不同特征的几何模型进行高质量的网格划分。

 

以Workbench平台以基础对焊接过程进行瞬态热分析需要用到基于ANSYS Workbench开发的Moving_Heat_Flux插件。该插件嵌入在Workbench界面中，提供了以平面高斯热源法为基础的移动热源分布方式，在该插件中用户可以指定焊移动速度、焊接电流、功率，焊接时间等参数。除此之外，进行传热过程分析，还需要输入瞬态热分析所需的其他边界条件如Convection等。此案例中输入的焊接相关参数如下所示：

 
针对此类大规模仿真问题，建议使用HPC高性能计算，可以充分发挥计算机硬件性能，大幅度提高求解效率。最终针对该参数下的焊接瞬态热分析结果如下：

 

基于瞬态热分析之上，可以进行焊后应力分析。通过前述建立的ANSYS Workbench的耦合分析流程，通过import load方式将热分析温度场传递给结构场进行应力分析。

 
同时根据实际工况对该构件施加约束，进行应力分析，最终得到某一时刻应力云图如下所示：

 

 
在ANSYS经典版中建立该构件的几何模型，采用solid70，建立好的模型如下图所示：

 

通过MP命令建立完整的材料参数表，如下图所示：

  

通过esize等命令，对该模型进行局部网格控制，生成六面体网格，并达到较高的网格质量。有限元模型如下：

 

本例中同样采用高斯热源方式进行模拟，相关焊接工艺以参数方式表达，为后期优化提供基础，典型的命令流如下：

            

对该模型底部施加固定约束，根据APDL中设定的求解参数进行迭代计算，迭代曲线如图所示：

 

经过求解计算后可以得到该焊接件的温度场分布云图，如下图提出的某时刻温度场分布云图：

 

[参考文献]
[1] 焊接数值模拟技术及其应用 汪建华

该文章已在西莫论坛电子期刊发表

下载详见附件：

西莫电子期刊第12期.pdf