ansys軟件在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用

1、ANSYS 軟件在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用和前景A NSYS 是計算機輔助工程 (CA E 領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的有限元分析 軟件 , 通過對該軟件的 系統(tǒng)組成 、工作流程和工作原理等方面進行分 析 , 對有限元方法 FEM 在 焊接熱效應(yīng) 領(lǐng)域的應(yīng)用進行了研究。 ANSYS 能與其他主流 CAD 軟件雙向傳遞 數(shù)據(jù) , 具有多物理場分析能力和便捷 的前后數(shù)據(jù)處理能力 , 通過基于 ANSYS 的虛擬試驗 平臺 , 可以低成本、 高效率優(yōu)化與焊接熱效應(yīng) 相關(guān) 產(chǎn)品設(shè)計方案 , 因而在焊接研究和生產(chǎn) 方面有著廣闊的應(yīng)用前景。焊接是一個涉及許多學科的復雜的物理 化學過程。由于焊 接過程涉及的變量數(shù)目繁多, 單憑積

2、累工藝試驗數(shù)據(jù)來深入了解和控 制焊接過程, 既不切實際又成本昂貴和費時費力。 隨著計算機技術(shù)的 發(fā)展,通過一組描述焊接基本物理過程的數(shù)學方程來模擬焊接過程, 采用數(shù)值方法求解以獲得焊接過程的定量認識, 即焊接過程的計算機 模擬, 成為一種強有力的手段。 計算機模擬方法為焊接科學技術(shù)的發(fā) 展創(chuàng)造了有力的條件。1993 年, 美國能源部組織美國、 加拿大、 日本、 瑞典、 英國的 25 位著名專家對 21 世紀焊接科學技術(shù)的發(fā)展動向做出預測, 其中焊接 基本現(xiàn)象的模擬與仿真被列為最重要的研究方向之一 。 我國國家自 然科學基金委員會制定的學科發(fā)展戰(zhàn)略也將計算機模擬確定為機械 熱加工領(lǐng)域的發(fā)展方向之

3、一 。 計算機模擬是使包括焊接在內(nèi)的熱加工工藝研究從“定性”走向“定量”、 從“經(jīng)驗”走向“科學”的重要標志。 采用科學的 模擬技術(shù)和少量的實驗驗證, 以代替過去一切都要通過大量重復實驗的方法, 不僅可以節(jié)省大量的人力和物力, 而且還可以通過數(shù)值模擬解決一些目前無法在實 驗室里進行直接研究的復雜問題。 在制造業(yè), 計算機模擬與仿真可以增加材料利 用率 25 %,節(jié)約生產(chǎn)成本 30 %,產(chǎn)品設(shè)計至實際投產(chǎn)的時間縮短 40 %。焊接過程數(shù)值模擬中, 熱源擬合,溫度場的模擬是最基本的工作,然 后就是應(yīng)力和變形的模擬。 我們可以看到大量這方面的文章, 溫度場 的模擬起步也較早, 也積累了比較豐富的經(jīng)驗

4、, 在實際生產(chǎn)中得到了 一定的應(yīng)用。 溫度場的模擬是對焊接應(yīng)力、 應(yīng)變場及焊接過程其他現(xiàn) 象進行模擬的基礎(chǔ), 通過溫度場的模擬我們可以判斷固相和液相的分 界, 能夠得出焊接熔池形狀。 焊接溫度場準確模擬的關(guān)鍵在于提供準 確的材料屬性, 熱源模型與實際熱源的擬合程度, 熱源移動路徑的準 確定義, 邊界條件是否設(shè)置恰當?shù)取?與通用軟件相比,專業(yè)焊接軟件 使用起來更加方便, 減少了通用軟件很多操作時間。 例如 SYSWELD 中 有焊接熱源模型,有雙橢球(Goldak 熱源模型(適于 TIG , MIG 焊 接及圓錐(Conical 熱源模型(適于激光、電子束等焊接可以 供使用者選擇; 并且具有熱源

5、校準功能, 使得熱源的擬合盡可能與實 際情況相吻合。 焊接應(yīng)力與變形問題可以分為兩類, 一是焊接過程中 的瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分析, 二是焊接后的殘余應(yīng)力與應(yīng)變計算。 對后者進 行分析計算的較多,主要是為了減少殘余應(yīng)力,控制變形,防止缺陷 的產(chǎn)生。 經(jīng)過幾十年年的發(fā)展,應(yīng)力與變形的計算日益成熟。結(jié)果精 度也在不斷提高。改進了計算方法的效率和穩(wěn)定性,計算速度更快, 收斂性更好。 還有很多程序應(yīng)用了并行計算功能, 進一步提升了計算 速度, 模型也考慮得更加精細。 深入研究了對焊接應(yīng)力與變形的影響 因素。例如材料屬性隨溫度變化,焊接接頭幾何形狀,焊縫道數(shù),不 同的焊接方法等等。 對于焊接局部模型, 存在非常

6、強烈的非線性特征,材料經(jīng)過高溫, 相變, 冷卻后會有殘余應(yīng)力,因此對焊接附近需要進 行詳細模擬。而作為整體結(jié)構(gòu)而言, 可能又體現(xiàn)為彈性變形,所以線 彈性分析就夠了。因此對于多道焊接的問題,采用先局部,再整體, 將局部模型的內(nèi)力映射到總體模型上的方法具有很大優(yōu)勢, 能夠快速 得到整體模型的應(yīng)力和變形結(jié)果。 對應(yīng)整體模型完全按照局部模型的 細節(jié)進行仿真,可能計算量會大的無法承受,事實上也沒有必要。 利用 SYSWELD 的焊接仿真,最大撓度模擬值為 23.4毫米,試驗值為 23.8毫米目前國際上不銹鋼車輛上采用的多為奧氏體系 SUS301L 類不銹 鋼材料。這類材料不僅具有較高的抗拉強度 (930

7、MPa , 還具有良好 的沖壓性能 ,同時還具有較好的點焊焊接性。 現(xiàn)在 ,車輛設(shè)計者借助 于電子計算機進行有限元計算方法 (如 ANSYS 軟件 , 來分析車體的受 力、 變形以及應(yīng)力分布情況 ,充分地利用了材料的高抗拉強度 ,設(shè)計 出薄壁筒型和板梁結(jié)構(gòu)的車體。 車體鋼結(jié)構(gòu)主要由側(cè)墻、 底架、 車頂、 外端等部件構(gòu)成。不銹鋼車體結(jié)構(gòu)受力部件主要使用不同強度等級 SUS301L 不銹 鋼 ,此外在底架等關(guān)鍵部位還采用了少量的高強度耐候鋼、 低合金結(jié) 構(gòu)鋼和鋁合金等材料。不銹鋼板材的沖壓性能是衡量不銹鋼材料在 1綜述述評車體上應(yīng)用的重要指標 ,不銹鋼材料的熱物理性能又決定 了不銹鋼車體的制造工藝

8、主要采用電阻點焊方法。針對不銹鋼車體大多采用無涂裝形式和點焊焊接方法的要求 ,其車體結(jié)構(gòu)與碳鋼車體有著較大差別。在車體結(jié)構(gòu)上的主要特征為 :便于點焊作業(yè)的骨架連接方法 (如骨架之間采用專門設(shè)計的連接 板 。 結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮了點焊的工藝性 ,盡最大可能消除角焊、 對接焊 等焊接變形較大的電弧焊結(jié)構(gòu) ; 采用冷滾壓成形的波紋車頂板 ,以 增加縱向剛度和垂向剛度 ; 取消了車頂縱梁 ,同時也簡化了點焊工藝 ; 采用盲窗結(jié)構(gòu) ,提高了車體的密封性和強度 ; 增設(shè)車下裙板 ,加大車 體鋼結(jié)構(gòu)斷面 ,提高車體的垂直抗彎剛度 ; 對于受力較大且點焊組 裝難以保證強度的部位或部件 ,采用低合金鋼的角焊、對焊結(jié)構(gòu)

9、 ,如車體底架的端部處 ;由于無涂裝不銹鋼車體表面質(zhì)量要求較高 ,對熱變形控制嚴 格 ,傳統(tǒng)碳鋼車體采用火焰調(diào)平外板的方法受限 ,因此在設(shè)計上使 車體的結(jié)構(gòu)非常適合于裝配 ,在工藝上嚴格控制焊接熱量輸入以減 少焊接變形。 例如 ,車體鋼結(jié)構(gòu)各大部件連接處均留有合適的裝配間 隙 ; 通過采用最佳焊點分布和控制點焊焊核直徑等措施 ,在保證連接 強度的前提下 ,減少熱量輸入。 此外 ,借助于 ANSYS 等計算機三維分 析軟件 ,對不銹鋼車體結(jié)構(gòu)進行強度分析和優(yōu)化設(shè)計 ,最大限度地 利用不同強度等級的不銹鋼板材 ,改進和優(yōu)化了不銹鋼車體的設(shè)計 結(jié)構(gòu)。由于不銹鋼車體的整個結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的碳鋼車體有較大差異

10、 ,因而其焊接制造工藝與傳統(tǒng)的車體焊接工藝有很大不同。為預沖窗口的通長墻板 ,采用真空吊具吊運 ; 側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的吊運 也須采用專用吊具。 不銹鋼車體的外包板不涂裝是車輛設(shè)計和制造的 難點之一 ,側(cè)墻的設(shè)計和制造應(yīng)主要考慮如何保證側(cè)墻的平面度和側(cè)墻表面質(zhì)量。 實踐證明 ,采用單面點焊工藝代替雙面點焊和弧焊工 藝 ,是減少因雙面點焊造成的焊點凹陷和弧焊造成的焊接變形的有 效途徑。 側(cè)墻外表面因失誤而造成損傷的修復工作 ,目前尚無可推薦 的方法 ,需要通過實踐 ,不斷研究和提高。焊接在工業(yè)中的應(yīng)用是不言而喻的, 但同時焊接過程中產(chǎn)生的殘 余應(yīng)力往往又會導致焊接失效。 因此, 在工業(yè)中一般都要對殘余應(yīng)

11、力 進行消除, 但這種消應(yīng)力處理往往在實際結(jié)構(gòu)或環(huán)境中難以實現(xiàn), 就 必須進行破壞性分析。隨著我國核反應(yīng)堆的建設(shè)及運行, 核級設(shè)備及管道會出現(xiàn)較多的 缺陷, 有的缺陷必須進行打磨后焊接修復, 同時要進行力學分析評價, 此時, 力學分析就必須考慮由焊接而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。 對于焊接后結(jié) 構(gòu)中的殘余應(yīng)力大小及分布, 會因結(jié)構(gòu)形式、 焊接方式及材料特性的 不同而不同。 某核電站控制棒驅(qū)動機構(gòu) (CRDM 耐壓殼上部 環(huán)連續(xù) 兩年都出現(xiàn)了泄漏, 并在檢修期間進行焊接修復。 焊接公司委托美國 公司對修復后的結(jié)構(gòu)進行了力學分析和評定。 焊接殘余應(yīng)力的有限元 計算是關(guān)鍵技術(shù)之一,也是難點。通過本課題的研究,掌

12、握有限元模擬焊接過程及殘余應(yīng)力計算, 能夠提高我國焊接修復工程缺陷的分析能力, 優(yōu)化不符合項的處理程 序,達到既節(jié)約時間和資金又滿足工作性能和安全性能的目的。有限元生死單元是指在模型加載過程中的某一指定時間， 控制單元的 生死選項，以實現(xiàn)在此指定時間內(nèi)結(jié)構(gòu)的“存在”或“不存在”。 單元生死選項并非真正的刪除或重新加入單元， 死單元在模型中 依然存在，但其單元載荷、質(zhì)量、阻尼、比熱等為 0。死單元的質(zhì)量 和能量將不包括在模型求解結(jié)果中。 若使單元重生，即在前處理器中激活它們，單元特性就建立了， 這樣就能實現(xiàn)焊接過程中原不生效的熔融材料變?yōu)樯У哪Ｐ腕w的 一部份。 在 ANSYS 程序中，單元類型

13、 PLANE55 (熱單元和 PLANE182 (結(jié) 構(gòu)單元都支持單元生死功能，將分別應(yīng)用于溫度場計算和應(yīng)力計算 分析中。 單元生死分別用 EALIVE 和 EKILL 命令執(zhí)行， 并打開分析選 項中的完全牛頓-拉佛森(full Newton-Raphson 方法，將得到較好 的非線性計算收斂結(jié)果。 利用有限元生死單元技術(shù)既可模擬焊接過程中的堆焊部分，分 別加載能量進行溫度場計算達到模擬焊接的整個過程。 分析時首先建立有限元模型， 見圖 4， 平面單元均為 PLANE55 (熱 單元，接觸單元用 CONTA171 (接觸元和 CARGE169 (目標元，其捏 合壓力為 1.8Pa(2.62E-

14、4ksi，摩擦系數(shù)為 0.5。 超聲波技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬、塑料焊接工藝中。焊接工裝 （Horn） ，因其對結(jié)構(gòu)動力學方面的高性能要求，傳統(tǒng)的仿造、修模 設(shè)計方法已不能適應(yīng)塑料產(chǎn)品多變的要求。 本文從超聲波塑料焊接的 原理入手，通過有限元法進行固有頻率和模態(tài)分析，設(shè)計新型工裝， 滿足有效傳遞和均勻分配振動能量的功能要求。在設(shè)計過程中結(jié)合 ANSYS 的參數(shù)化建模、全因子實驗設(shè)計優(yōu)化（DOE）和概率設(shè)計系統(tǒng) （PDS）模塊，進行參數(shù)設(shè)計和健壯性設(shè)計，調(diào)整幾何尺寸，使得工 裝的固有頻率和超聲波頻率匹配，對應(yīng)的模態(tài)在工作面振幅均勻，減 少了局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的問題， 同時對材料和環(huán)境的參數(shù)變化有較好

15、 的適應(yīng)性。所設(shè)計的工裝一次加工完成投入使用，避免了反復修整工 裝所帶來的時間和成本上的浪費。 國內(nèi)有不少超聲波設(shè)備供應(yīng)商自行生產(chǎn)焊接工裝，但是他們中 有相當一部分是仿制已有，然后不斷的修整工裝、測試，通過這種反 復調(diào)整的方法達到工裝與設(shè)備頻率協(xié)調(diào)的目的。本文通過有限元方 法，在設(shè)計工裝時就能把頻率確定，制造出來的工裝測試結(jié)果與設(shè)計 頻率誤差不過 1。同時，本文引入 DFSS（Design For Six Sigma） 的理念，對工裝進行優(yōu)化和健壯設(shè)計。6-Sigma 設(shè)計的理念是在設(shè)計 過程中充分收集客戶心聲進行針對性的設(shè)計； 并且預先考慮生產(chǎn)過程 可能出現(xiàn)的偏差，保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量分布在合

16、理的水平內(nèi)。設(shè)計流 程如圖二所示，從制定設(shè)計指標開始，首先根據(jù)已有經(jīng)驗初步設(shè)計工 裝的結(jié)構(gòu)和外型尺寸，在 ANSYS 中建立參數(shù)化模型，然后通過仿真實 驗設(shè)計（DOE）方法確定模型中的重要參數(shù)，根據(jù)健壯要求，確定數(shù) 值，接著對其他參數(shù)用子問題法進行尋優(yōu)。考慮到工裝在制造和使用 過程中材料、環(huán)境參數(shù)的影響，還對其進行了公差設(shè)計，滿足制造成 本的要求。最后是制造、測試檢驗理論設(shè)計和實際的誤差，滿足設(shè)計 指標即交付使用。設(shè)計焊接工裝首先是確定其大致的幾何外型和結(jié) 構(gòu)，并建立參數(shù)化模型，以便進行后繼分析。圖三 a）是最為常見焊 接工裝的設(shè)計，在一個近似長方體的材料上沿振動方向豁開若干個 U 型槽。整體尺寸是 X、Y、Z 三個方向的長度，通常橫向尺寸 X 和 Y 與 被焊接工件的大小相當。Z 的長度等于超聲波的半波長，因為在經(jīng)典 的振動理論里面，