ANSYSMechanical在焊接仿真中的應(yīng)用詳細解析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，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)值洛法。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，常常用來進行焊接熱傳導(dǎo)、氫擴散等問題的研究。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，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。用辛普生法則等方式對很難求得原函數(shù)的問題進行積分求解，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：該方法基于隨機模擬技術(shù)，對隨機過程的問題進行原封不動的數(shù)值模擬。常基于以上幾種理論對焊接熱傳導(dǎo)、熱彈塑性應(yīng)力等問題進行模擬，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，是準過程的解析，前人做了大量的理論研究布模型：方式僅對于研究區(qū)域遠離熱源時較為適用，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。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)域要比電弧后方的小；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)生源循環(huán)后，溫度應(yīng)變?yōu)榱悖逃袘?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，而不用來進行大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體研究kbench針對如下部件采用激光焊，以ANSYSWorkbench為平臺，模擬該模型的溫度場變化和應(yīng)建立該焊接分析的耦合項目，如下圖所示。eerDatag焊接件和焊縫均以六面體方式進行劃分，除此之外，軟件還提供了大量的sizefuncTIon、局部控制等功能，針對不同特征的幾何模型進行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。焊接時間等參數(shù)。除此之外，進行傳熱過程分析，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：熱分析之上，可以進行焊后應(yīng)力分析。通過前述建立的ANSYSWorkbench的耦合分析流程，通過importload方式將熱分析溫度場傳遞給結(jié)構(gòu)場進行應(yīng)力分析。3.2基于ANSYS經(jīng)典界面的焊接仿真的熱源模型，因此用戶可以基于ANSYS經(jīng)典版進行焊接仿真?；贏NSYS經(jīng)典版進行料參數(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)率=0.825，結(jié)構(gòu)與空氣的換熱系數(shù)為15W/(m*℃)。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：通過MP命令建立完整的材料參數(shù)表，如下圖所示：通過esize等命令，對該模型進行局部網(wǎng)格控制，生成六面體網(wǎng)格，并達到較高的網(wǎng)格質(zhì)，為后期優(yōu)化提供經(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4總結(jié)通過以上介紹，以ANSYS軟件為基礎(chǔ)可以方便的進行焊接過程的溫度場和應(yīng)力場