結(jié)構(gòu)-焊接過程仿真

1、49?9 教學(xué)算例集焊接過程仿真撰寫：審核：校對(duì)：2021 年 8 月 26 日 Copyright目 錄關(guān)鍵字：焊接熱應(yīng)力算例來源：自創(chuàng)1.摘要1問題描述1問題分析1前處理22.2.12.22.32.42.5建立分析系統(tǒng)2材料屬性2幾何模型3連接關(guān)系4網(wǎng)格劃分53.瞬態(tài)熱分析73.13.23.33.43.5初始條件7求解設(shè)置7邊界條件8求解計(jì)算10后處理104.熱應(yīng)力分析134.14.24.34.44.5建立熱應(yīng)力分析系統(tǒng)13求解設(shè)置14邊界條件15求解計(jì)算17后處理184.5.14.5.24.5.3查看變形結(jié)果18查看等效應(yīng)力結(jié)果20查看接觸狀態(tài)結(jié)果211.摘要焊接是一個(gè)基本的制造技術(shù)，用

2、來連接金屬。雖然各種焊接過程存在，大多數(shù)涉及應(yīng)用熱誘導(dǎo)聚合的金屬連接部分。焊接是應(yīng)用最廣泛的材料連接方式之一，同時(shí)也是歷史非常悠久的制造工藝。隨著焊接熱力模擬理論、有限元技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，極大地促進(jìn)了焊接數(shù)值模擬技術(shù)的研究。數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)滲透到焊接的各個(gè)領(lǐng)域，在航空航天、能源、動(dòng)力等領(lǐng)域，關(guān)鍵焊接過程仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于優(yōu)化工藝過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量和清除安全隱患起著日益重要，甚至不可替代的作用。焊接時(shí)，加熱和冷卻循環(huán)總會(huì)導(dǎo)致一定程度的變形，焊接變形對(duì)尺寸穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能都有很大的影響，控制焊接變形在焊接加工中是一個(gè)關(guān)鍵的任務(wù)。在鋼結(jié)構(gòu)焊接中，焊接工藝會(huì)使構(gòu)件溫度場(chǎng)產(chǎn)生不均勻變化，從

3、而在構(gòu)件中產(chǎn)生復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布。1.1問題描述建立一個(gè)簡(jiǎn)單的角焊模型，分析其在激光焊接過程中結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力和熱影響區(qū)。模型如下所示。圖1 實(shí)例1.2問題分析利用 ANSYS 瞬態(tài)熱分析模塊分析焊接過程中的溫度變化，將瞬態(tài)熱分析結(jié)果導(dǎo)入到結(jié)構(gòu)分析中，分析在溫度變化過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力與熱變形，確定熱影響區(qū)域范圍。在分析時(shí)忽略了材料的塑性，過程參考，具體數(shù)值不具有實(shí)際代表意義。2.前處理2.1建立分析系統(tǒng)建立瞬態(tài)熱分析系統(tǒng)，如下圖所示。圖2 建立分析系統(tǒng)2.2材料屬性雙擊【Engineering Data】單元格，默認(rèn)材料是【Structural Steel】鋼材，材料屬性如下。圖3 結(jié)構(gòu)鋼材料屬性

4、材料設(shè)置完畢，菜單欄點(diǎn)擊關(guān)閉【A2:Engineering Data】回到 Workbench 界面中。2.3幾何模型在【Geometry】單元格中，點(diǎn)擊右鍵選擇【Import Geometry】-【Browse】，選擇 Demo137_Weld_Pro模型如下圖所示。s.agdb 文件。雙擊【Geometry】單元格打開幾何體，幾何圖4 幾何模型在【Geometry】中選擇全部實(shí)體，在細(xì)節(jié)面板中選擇【Material】-【Assignment】，在右邊的選擇框中選中【Structural Steel】，如下圖所示。圖5 Mechanical 材料設(shè)置2.4連接關(guān)系在導(dǎo)入幾何后，刪除程序自動(dòng)創(chuàng)

5、建的接觸對(duì)。建立 Plate1 與 Plate2、Weld 與 Plate兩對(duì)接觸對(duì)。Plate1 與 Plate2 間建立摩擦接觸，摩擦系數(shù) 0.2，對(duì)稱接觸，如下圖所示。圖6 建立接觸對(duì)Weld 與 Plate 間建立摩擦接觸，摩擦系數(shù) 0.2，非對(duì)稱接觸，如下圖所示。圖7 建立接觸對(duì)接觸設(shè)置：選擇 Weld 與 Plate 接觸對(duì)，右鍵【Insert】-【d】，在右側(cè)空白位置輸入命令：rmodif,cid,35,500。對(duì)于 Weld 與 Plate 間的接觸，該命令定義了 500 攝氏度的臨界溫度。一旦接觸面(Tc)的接觸溫度超過了這個(gè)臨界溫度，接觸點(diǎn)就會(huì)變成“綁定”。即使溫度隨后下降

6、到臨界值以下，“綁定”接觸狀態(tài)仍將保持在其余分析中。圖8 接觸設(shè)置2.5 網(wǎng)格劃分選擇【Mesh】-【Insert】-【Method】，在【Geometry】選擇全部實(shí)體，在【Method】設(shè)為 Sp；選擇【Mesh】-【Insert】-【Sizing】，在【Geometry】選擇 Weld 實(shí)體，在【Type】中選擇 Element Size，尺寸設(shè)為 1mm，如下圖所示。圖9 網(wǎng)格設(shè)置選擇【Mesh】-【Insert】-【Sizing】，在【Geometry】選擇實(shí)體較長(zhǎng)的 9 個(gè)邊界，在【Type】中選擇【Number Of Divis】，份數(shù)設(shè)為 75，如下圖所示。圖10 網(wǎng)格設(shè)置選擇

7、【Mesh】-【Insert】-【Sizing】，在【Geometry】選擇 Plate 實(shí)體短邊，在【Type】中選擇【Number Of Divis】，份數(shù)設(shè)為 3，如下圖所示。圖11 網(wǎng)格設(shè)置選擇【Mesh】-【Generate Mesh】，生成網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如下圖所示。圖12 網(wǎng)格結(jié)果3.瞬態(tài)熱分析3.1初始條件在熱分析中設(shè)置初始溫度，選擇【Initial Temperature】，在【Initial TemperatureValue】中保持默認(rèn) 22不變，設(shè)置完成結(jié)果如下圖。圖13 初始條件3.2求解設(shè)置載荷步結(jié)束時(shí)間為 60s，關(guān)閉自動(dòng)時(shí)間步，設(shè)置如下圖所示。圖14 求解設(shè)置3

8、.3邊界條件添加熱對(duì)流設(shè)置：選擇【Transient-Thermal】右鍵選擇【Insert】-【Convection】，在【Geometry】中選擇除 Weld 實(shí)體以外其他外表面，在膜層散熱系數(shù)【FilmCoefficient】中選擇【Tabular Data】，按下圖所示設(shè)置。圖15 熱對(duì)流設(shè)置添加 Moving Heat.wbex 的 ACT 插件：轉(zhuǎn)到 Workbench 界面，選擇【Exten-【Install Extens】，找到 Moving Heat.wbex，安裝插件。繼續(xù)選擇【Extens】s】-【Manage Extens】，將【Moving Heat】前面方框選中，加

9、載該 ACT 插件。圖16 添加 ACT 插件添加移動(dòng)熱源：轉(zhuǎn)到 Mechanical 界面，選擇【Transient-Thermal】右鍵選擇【Insert】-【Moving Heat Flux】，在【Geometry】-【Geometry】中選擇內(nèi)側(cè) 4 個(gè)表面；在【Path】-【Geometry】中選擇沿 Weld 方向邊界；在【Start Po中選擇端部一點(diǎn)，如下圖所示?！?【Geometry】圖17CPU 熱流量按下圖設(shè)置移動(dòng)熱源參數(shù)：包括移動(dòng)速度、焊槍頭部半徑、功率密度、起止時(shí)間、熔化溫度等。圖18 移動(dòng)熱源設(shè)置3.4求解計(jì)算選擇【M】-【Transient-Thermal】單擊右

10、鍵選擇【Solve(F5) 】進(jìn)行計(jì)算。圖19 計(jì)算求解3.5后處理工程樹下的【Solution】，選擇【Insert】-【Thermal】查看溫度分布：-【Temperature】，【Display Time】中輸入不同時(shí)刻，計(jì)算求解查看溫度變化。圖20 5s 時(shí) Temperature 結(jié)果圖21 20s 時(shí)Temperature 結(jié)果44s 時(shí)Temperature 結(jié)果圖22圖2360s 時(shí)Temperature 結(jié)果圖24 溫度變化曲線圖25 最大溫度值時(shí)熱影響區(qū)范圍（超過 500）從溫度變化曲線可以看出，計(jì)算完 60s 后，共計(jì)算了 122 個(gè)子步。計(jì)算焊接過，需要考慮瞬態(tài)的熱影響

11、，在進(jìn)行下一步熱應(yīng)力計(jì)算時(shí)，需保持熱應(yīng)力分析與瞬態(tài)熱分析相同的時(shí)間變化增量。4.熱應(yīng)力分析4.1建立熱應(yīng)力分析系統(tǒng)在已有的瞬態(tài)熱分析后拖拽一個(gè)靜力分析模塊，建立熱應(yīng)力分析系統(tǒng)，如下圖所示。靜力分析享材料及有限元模型設(shè)置，無需再做其他更改。圖26 建立分析系統(tǒng)4.2求解設(shè)置雙擊靜力分析模塊的【Setup】，選擇【Sic Structural】-【ysis Settings】-【Step Controls】，設(shè)置【Number of Steps】的值為 122，【Current Step Number】值為 122，【Step End Time】的值為 60s，自動(dòng)時(shí)間步打開，弱彈簧、大變形打開，

12、設(shè)置完成結(jié)果如下圖。圖27 求解設(shè)置載荷步設(shè)置：選擇瞬態(tài)熱分析中的溫度結(jié)果，選中【Tabular Data】中的 time 列，右鍵選擇【Copy Cell】，然后到靜力分析中的【的【End Time】列中右鍵選擇【Paste Cell】。ysis Settings】，在【Tabular Data】圖28 載荷步設(shè)置4.3邊界條件施加無摩擦約束：在左側(cè)樹形窗口中選擇【M】-【Sic Structural】，右鍵選擇【Insert】-【Frictionles如下圖所示。pport】，選中實(shí)體 Plate 的兩個(gè)窄面，點(diǎn)擊【Apply】，圖29 無摩擦約束施加無摩擦約束：在左側(cè)樹形窗口中選擇【M】

13、-【Sic Structural】，右鍵選擇【Insert】-【Frictionles如下圖所示。pport】，選中實(shí)體 Plate 的側(cè)面，點(diǎn)擊【Apply】，圖30 無摩擦約束添加僅受壓約束：在左側(cè)樹形窗口中選擇【M】-【Sic Structural】，右鍵選擇【Insert】-【CompresOnly Support】，選中實(shí)體 Plate 的后面，點(diǎn)擊【Apply】，如下圖所示。圖31 僅受壓約束導(dǎo)入溫度載荷：選擇【Sic Structural】-【Imported Load】-【Imported BodyTemperature】，細(xì)節(jié)中【Source Time】選擇 All，然后右鍵

14、選擇【Import Load】，等待載荷導(dǎo)入。圖32 導(dǎo)入溫度載荷圖33 溫度載荷4.4求解計(jì)算選擇【M】-【Sic Structural】單擊右鍵選擇【Solve(F5)】進(jìn)行計(jì)算。圖34 計(jì)算求解4.5后處理4.5.1查看變形結(jié)果查看變形結(jié)果：工程樹下的【Solution】，選擇【Insert】-【Deformation】-【Total】，【Display Time】中輸入不同時(shí)刻，求解完成后查看結(jié)果如下。圖35 5s 時(shí) Total Deformation 結(jié)果圖3620s 時(shí)Total Deformation 結(jié)果44s 時(shí)Total Deformation 結(jié)果圖37圖38 60s 時(shí)Total Deformation 結(jié)果4.5.2查看等效應(yīng)力結(jié)果工程樹下的【Solution】，選擇【Insert】-【Stress】-查看等效應(yīng)力：【Equivalent(von-Mises)】，【Display Time】中輸入不同時(shí)刻，求解完成后查看結(jié)果如下。圖39 5s 時(shí) Equivalent(von-Mises)結(jié)果圖4020s 時(shí)Equivalent(von-Mises)結(jié)果44s 時(shí)Equivalent(v