ansys軟件在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用VIP

1、ANSYS軟件在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用和前景 ANSYS是計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的有限元分析軟件,通過對(duì)該軟件的系統(tǒng)組成、工作流程和工作原理等方面進(jìn)行分析,對(duì)有限元方法FEM在焊接熱效應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)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(chǎng)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(yàn)平臺(tái),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(jì)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(gè)涉及許多學(xué)科的復(fù)雜的物理 化學(xué)過程。由于焊接過程涉及的變量數(shù)目繁多，單憑積累工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)來深入了解和控制焊接過程，既不切實(shí)際又成本昂貴和費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著計(jì)

2、算機(jī)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(xué)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(rèn)識(shí)，即焊接過程的計(jì)算機(jī)模擬，成為一種強(qiáng)有力的手段。計(jì)算機(jī)模擬方法為焊接科學(xué)技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有力的條件。    1993 年，美國(guó)能源部組織美國(guó)、加拿大、日本、瑞典、英國(guó)的 25 位著名專家對(duì) 21 世紀(jì)焊接科學(xué)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向做出預(yù)測(cè)，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(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)制定的學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略也將計(jì)算機(jī)模擬確定為機(jī)械熱加工領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。計(jì)算機(jī)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”、

3、從“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”的重要標(biāo)志。采用科學(xué)的模擬技術(shù)和少量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以代替過去一切都要通過大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行直接研究的復(fù)雜問題。在制造業(yè)，計(jì)算機(jī)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(jì)至實(shí)際投產(chǎn)的時(shí)間縮短 40 。焊接過程數(shù)值模擬中，熱源擬合，溫度場(chǎng)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(chǎng)的模擬起步也較早，也積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了一定的應(yīng)用。溫度場(chǎng)的模擬是對(duì)焊接應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)及焊接過程其他現(xiàn)象進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)，通過溫度場(chǎng)的模

4、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(chǎng)準(zhǔn)確模擬的關(guān)鍵在于提供準(zhǔn)確的材料屬性，熱源模型與實(shí)際熱源的擬合程度，熱源移動(dòng)路徑的準(zhǔn)確定義，邊界條件是否設(shè)置恰當(dāng)?shù)?。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(shí)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；并且具有熱源校準(zhǔn)功能，使得熱源的擬合盡可能與實(shí)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(jì)算。對(duì)后者進(jìn)行分析計(jì)算

5、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(jì)算日益成熟。結(jié)果精度也在不斷提高。改進(jìn)了計(jì)算方法的效率和穩(wěn)定性，計(jì)算速度更快，收斂性更好。還有很多程序應(yīng)用了并行計(jì)算功能，進(jìn)一步提升了計(jì)算速度，模型也考慮得更加精細(xì)。深入研究了對(duì)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(duì)于焊接局部模型，存在非常強(qiáng)烈的非線性特征，材料經(jīng)過高溫，相變，冷卻后會(huì)有殘余應(yīng)力，因此對(duì)焊接附近需要進(jìn)行詳細(xì)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(duì)于多道焊接的問題，采用先局部，再整體，將局部模

6、型的內(nèi)力映射到總體模型上的方法具有很大優(yōu)勢(shì)，能夠快速得到整體模型的應(yīng)力和變形結(jié)果。對(duì)應(yīng)整體模型完全按照局部模型的細(xì)節(jié)進(jìn)行仿真，可能計(jì)算量會(huì)大的無法承受，事實(shí)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(yàn)值為23.8毫米目前國(guó)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(qiáng)度(930MPa) ,還具有良好的沖壓性能 ,同時(shí)還具有較好的點(diǎn)焊焊接性。現(xiàn)在 ,車輛設(shè)計(jì)者借助于電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元計(jì)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(qiáng)度 ,設(shè)計(jì)出薄壁筒型和板梁結(jié)構(gòu)的車

7、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(qiáng)度等級(jí) SUS301L 不銹鋼 ,此外在底架等關(guān)鍵部位還采用了少量的高強(qiáng)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(píng)車體上應(yīng)用的重要指標(biāo) ,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主要采用電阻點(diǎn)焊方法。針對(duì)不銹鋼車體大多采用無涂裝形式和點(diǎn)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(diǎn)焊作業(yè)的骨架連接方法(如骨架之間采用專門設(shè)計(jì)的連接板) 。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮了點(diǎn)焊的工藝性 ,盡最大可能消除角焊、對(duì)接焊等焊接變形較大的電弧

8、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(shí)也簡(jiǎn)化了點(diǎn)焊工藝;采用盲窗結(jié)構(gòu) ,提高了車體的密封性和強(qiáng)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(duì)于受力較大且點(diǎn)焊組裝難以保證強(qiáng)度的部位或部件 ,采用低合金鋼的角焊、對(duì)焊結(jié)構(gòu) ,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(duì)熱變形控制嚴(yán)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(jì)上使車體的結(jié)構(gòu)非常適合于裝配 ,在工藝上嚴(yán)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(diǎn)分布和控制點(diǎn)焊焊核直徑等措施

9、 ,在保證連接強(qiáng)度的前提下 ,減少熱量輸入。此外 ,借助于ANSYS等計(jì)算機(jī)三維分析軟件 ,對(duì)不銹鋼車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì) ,最大限度地利用不同強(qiáng)度等級(jí)的不銹鋼板材 ,改進(jìn)和優(yōu)化了不銹鋼車體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。由于不銹鋼車體的整個(gè)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的碳鋼車體有較大差異 ,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(yù)沖窗口的通長(zhǎng)墻板 ,采用真空吊具吊運(yùn);側(cè)墻鋼結(jié)構(gòu)的吊運(yùn)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(jì)和制造的難點(diǎn)之一 ,側(cè)墻的設(shè)計(jì)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(shí)踐證明 ,采用單面點(diǎn)焊工藝代替雙面點(diǎn)焊和弧焊工藝 ,是減少因雙面點(diǎn)焊造成的焊點(diǎn)凹陷和弧焊造

10、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(fù)工作 ,目前尚無可推薦的方法 ,需要通過實(shí)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(shí)焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力往往又會(huì)導(dǎo)致焊接失效。因此，在工業(yè)中一般都要對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行消除，但這種消應(yīng)力處理往往在實(shí)際結(jié)構(gòu)或環(huán)境中難以實(shí)現(xiàn)，就必須進(jìn)行破壞性分析。隨著我國(guó)核反應(yīng)堆的建設(shè)及運(yùn)行，核級(jí)設(shè)備及管道會(huì)出現(xiàn)較多的缺陷，有的缺陷必須進(jìn)行打磨后焊接修復(fù)，同時(shí)要進(jìn)行力學(xué)分析評(píng)價(jià)，此時(shí)，力學(xué)分析就必須考慮由焊接而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。對(duì)于焊接后結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力大小及分布，會(huì)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(dòng)機(jī)構(gòu)(CRDM

11、)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(jìn)行焊接修復(fù)。焊接公司委托美國(guó)公司對(duì)修復(fù)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析和評(píng)定。焊接殘余應(yīng)力的有限元計(jì)算是關(guān)鍵技術(shù)之一，也是難點(diǎn)。通過本課題的研究，掌握有限元模擬焊接過程及殘余應(yīng)力計(jì)算，能夠提高我國(guó)焊接修復(fù)工程缺陷的分析能力，優(yōu)化不符合項(xiàng)的處理程序，達(dá)到既節(jié)約時(shí)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(shí)間，控制單元的生死選項(xiàng)，以實(shí)現(xiàn)在此指定時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)的“存在”或“不存在”。單元生死選項(xiàng)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)

12、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(shí)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(chǎng)計(jì)算和應(yīng)力計(jì)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(xiàng)中的完全牛頓-拉佛森(full Newton-Raphson )方法，將得到較好的非線性計(jì)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(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算達(dá)到模擬焊接的整個(gè)過程。分析時(shí)首先建立有限元模型，見圖4，平面單元均為PLAN

13、E55 (熱單元)，接觸單元用CONTA171 (接觸元)和CARGE169 (目標(biāo)元)，其捏合壓力為1.8Pa(2.62E-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(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面的高性能要求，傳統(tǒng)的仿造、修模設(shè)計(jì)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(jìn)行固有頻率和模態(tài)分析，設(shè)計(jì)新型工裝，滿足有效傳遞和均勻分配振動(dòng)能量的功能要求。在設(shè)計(jì)過程中結(jié)合ANSYS的參數(shù)化建模、全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化（DOE）和概率設(shè)計(jì)系統(tǒng)（PDS）模塊，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)和健壯性設(shè)計(jì)，調(diào)整幾何尺寸，使得工裝的固有頻率和超聲波

14、頻率匹配，對(duì)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(shí)對(duì)材料和環(huán)境的參數(shù)變化有較好的適應(yīng)性。所設(shè)計(jì)的工裝一次加工完成投入使用，避免了反復(fù)修整工裝所帶來的時(shí)間和成本上的浪費(fèi)。 國(guó)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(dāng)一部分是仿制已有，然后不斷的修整工裝、測(cè)試，通過這種反復(fù)調(diào)整的方法達(dá)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(jì)工裝時(shí)就能把頻率確定，制造出來的工裝測(cè)試結(jié)果與設(shè)計(jì)頻率誤差不過1。同時(shí)，本文引入DFSS（Design For Six Sigma）的理念，對(duì)工裝進(jìn)行優(yōu)化和健壯設(shè)計(jì)。6-Sigma設(shè)計(jì)的理念是在設(shè)計(jì)過程中充分收集客戶心聲進(jìn)行針

15、對(duì)性的設(shè)計(jì)；并且預(yù)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)量分布在合理的水平內(nèi)。設(shè)計(jì)流程如圖二所示，從制定設(shè)計(jì)指標(biāo)開始，首先根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（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(duì)其他參數(shù)用子問題法進(jìn)行尋優(yōu)?？紤]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(duì)其進(jìn)行了公差設(shè)計(jì)，滿足制造成本的要求。最后是制造、測(cè)試檢驗(yàn)理論設(shè)計(jì)和實(shí)際的誤差，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)即交付使用。設(shè)計(jì)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(jìn)行后繼分析。圖三a）是最為常見焊接工裝的設(shè)計(jì)，在一個(gè)近似長(zhǎng)方體的材料上沿振動(dòng)方向豁開若干個(gè)U型槽。整體尺寸是X、Y、Z三個(gè)方向的長(zhǎng)度，通常橫向尺寸X和Y與被焊接工件的大小相當(dāng)。Z的長(zhǎng)度等于超聲波的半波長(zhǎng)，因?yàn)樵诮?jīng)典的振動(dòng)理論里面，