當(dāng)前位置:首頁(yè) > 工業(yè)控制 > 工業(yè)控制技術(shù)文庫(kù)
[導(dǎo)讀] 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(gè)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(guò)程,其涉及到的傳熱過(guò)程、金屬的融化和凝固、冷卻時(shí)的相

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(gè)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(guò)程,其涉及到的傳熱過(guò)程、金屬的融化和凝固、冷卻時(shí)的相變、焊接應(yīng)力和變形等是企業(yè)制造部門(mén)和設(shè)計(jì)人員關(guān)心的重點(diǎn)問(wèn)題。焊接過(guò)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(guò)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(shí)不合理的熱過(guò)程引起的。由于高能量的集中的瞬時(shí)熱輸入,在焊接過(guò)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(duì)于焊接溫度場(chǎng)合應(yīng)力場(chǎng)的定量分析、預(yù)測(cè)有重要意義。

傳統(tǒng)的焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力測(cè)試依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)或基于統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)公式,但此類(lèi)方法帶有明顯的局限性,對(duì)于新工藝無(wú)法做到前瞻性的預(yù)測(cè),從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本急劇增加,因此針對(duì)焊接采用數(shù)值模擬的方式體現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢(shì)。

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(tái),闡述了焊接溫度場(chǎng)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(jì)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(wèn)題中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力變形等最終可以歸結(jié)為求解微分方程組,對(duì)于該類(lèi)方程求解的方式通常為兩大類(lèi):解析法和數(shù)值法。由于只有在做了大量簡(jiǎn)化假設(shè),并且問(wèn)題較為簡(jiǎn)單的情況下,才可能用解析法得到方程解,因此對(duì)于焊接問(wèn)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(guò)把微分方程轉(zhuǎn)換為差分方程來(lái)進(jìn)行求解。對(duì)于規(guī)則的幾何特性和均勻的材料特性問(wèn)題,編程簡(jiǎn)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(shí)差分法只考慮節(jié)點(diǎn)的作用,而不考慮節(jié)點(diǎn)間單元的貢獻(xiàn),常常用來(lái)進(jìn)行焊接熱傳導(dǎo)、氫擴(kuò)散等問(wèn)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(gè)單元組成的離散化模型,通過(guò)位移函數(shù)對(duì)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(duì)很難求得原函數(shù)的問(wèn)題進(jìn)行積分求解,通過(guò)該方法避免了求解復(fù)雜的原函數(shù)問(wèn)題,同時(shí)使用較少的點(diǎn)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(duì)隨機(jī)過(guò)程的問(wèn)題進(jìn)行原封不動(dòng)的數(shù)值模擬。

焊接模擬通常基于以上幾種理論對(duì)焊接熱傳導(dǎo)、熱彈塑性應(yīng)力等問(wèn)題進(jìn)行模擬,而合理的選擇熱源函數(shù)和計(jì)算焊后應(yīng)力等問(wèn)題則需要設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)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(duì)于焊接熱過(guò)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(diǎn),此方式僅對(duì)于研究區(qū)域遠(yuǎn)離熱源時(shí)較為適用,同時(shí)此方法無(wú)法描述熱源的分布規(guī)律,對(duì)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(duì)稱(chēng)分布的特點(diǎn),在低速焊接時(shí),效果良好,焊接速度較高時(shí),熱源不再對(duì)稱(chēng)分布,誤差較大。此方法適合于電弧挺度較弱及電弧對(duì)熔池沖擊較小的情況。

高斯分布雖然給出了熱源分布,但沒(méi)有考慮焊槍移動(dòng)對(duì)熱源分布的影響。實(shí)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(duì)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(shí),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(lái)描述

實(shí)際上,由于電弧沿焊接方向運(yùn)動(dòng),電弧熱流是不對(duì)稱(chēng)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(duì)稱(chēng)的單個(gè)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(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變過(guò)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(duì)焊接變形與殘余應(yīng)力的計(jì)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(yàn)積累,此方法對(duì)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(shí)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(guò)一次焊接熱循環(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(shí),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(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)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(méi)有考慮整個(gè)焊接傳熱過(guò)程

熱彈塑性有限元法:記錄焊接傳熱過(guò)程,描述動(dòng)態(tài)過(guò)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(guò)程分析,得到焊接結(jié)構(gòu)瞬態(tài)溫度場(chǎng),再以此為結(jié)果,進(jìn)行焊接應(yīng)力和變形計(jì)算。由于該計(jì)算為非線性計(jì)算過(guò)程,因此計(jì)算量大,一般用來(lái)研究焊接接頭的力學(xué)行為,而不用來(lái)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(tái)的焊接仿真

針對(duì)如下部件采用激光焊,以ANSYS Workbench為平臺(tái),模擬該模型的溫度場(chǎng)變化和應(yīng)力場(chǎng)變化情況。

ANSYS Workbench作為統(tǒng)一的多場(chǎng)耦合分析平臺(tái),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(xiàng)目,如下圖所示。

在本例中,僅以說(shuō)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:

ANSYS Workbench以ANSYS Meshing為基礎(chǔ)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,對(duì)于此模型中的兩個(gè)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(duì)不同特征的幾何模型進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。

以Workbench平臺(tái)以基礎(chǔ)對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)熱分析需要用到基于ANSYS Workbench開(kāi)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(dòng)熱源分布方式,在該插件中用戶可以指定焊槍移動(dòng)速度、焊接電流、功率,焊接時(shí)間等參數(shù)。除此之外,進(jìn)行傳熱過(guò)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:

針對(duì)此類(lèi)大規(guī)模仿真問(wèn)題,建議使用HPC高性能計(jì)算,可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)硬件性能,大幅度提高求解效率。最終針對(duì)該參數(shù)下的焊接瞬態(tài)熱分析結(jié)果如下:

基于瞬態(tài)熱分析之上,可以進(jìn)行焊后應(yīng)力分析。通過(guò)前述建立的ANSYS Workbench的耦合分析流程,通過(guò)import load方式將熱分析溫度場(chǎng)傳遞給結(jié)構(gòu)場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)力分析。

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

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(tái)進(jìn)行焊接仿真時(shí)存在諸多限制,例如無(wú)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(shí),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(duì)于優(yōu)化焊接分析,十分方便。

本例中,焊接溫度場(chǎng)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(kāi)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*℃)。

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(guò)MP命令建立完整的材料參數(shù)表,如下圖所示:

通過(guò)esize等命令,對(duì)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:

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:

對(duì)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(jì)算,迭代曲線如圖所示:

經(jīng)過(guò)求解計(jì)算后可以得到該焊接件的溫度場(chǎng)分布云圖,如下圖提出的某時(shí)刻溫度場(chǎng)分布云圖:

4 總結(jié)

通過(guò)以上介紹,以ANSYS軟件為基礎(chǔ)可以方便的進(jìn)行焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)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(guò)控制單元生死的方式來(lái)模擬焊縫填充過(guò)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(jì)算方式,因此不能疊加使用。

ANSYS軟件通過(guò)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(jì)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。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專(zhuān)欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車(chē)的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車(chē)技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車(chē)工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車(chē)。 SODA V工具的開(kāi)發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車(chē) 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開(kāi)幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱(chēng),數(shù)字世界的話語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉