例19 平板的对接焊缝的温度场和应力场.doc

例19 平板对接焊缝的温度场和应力场19.1问题描述 有两块505010mm的钢板通过TIG焊接焊接成一个平板，不开坡口，也不填丝。焊接的电压是200V，电流为20A，焊接速率为2mm/s。请建立有限元模型进行计算。(假如您需要实验的话，实验的板材和焊机都可以为您提供，若您不会焊接，提供大桥下农民工叔叔一位！)50mm50mm10mm焊接中心线焊接示意图19.2主要步骤：1 平板的有限元网格划分2 材料模型3 焊接路径及焊料填充的定义4 边界条件5 工况定义6 作业定义7 结果分析19.3 平板的有限元网格划分以国际单位制kg/m/s为基本单位建立有限元网格！PTS: ADD0 0 00.05 0 0CRVS:ADD1 2EXPAND: TRANSLATIONS0 0.01 0CURVES1 #RETURN 形成一个0.050.01的面，此时平面几何已经建立；CONVERT: DIVISIONS15 5BIAS FACTORS:0.3 0.3 通过这个x，y方向的偏置系数，使得网格数密过渡。GEOMETRY/MESH: SURFACES TO ELEMENTSALL: EXIST RETURN 二维面网格划分完毕，但需要扩展为三维体网格。EXPANDTRANSLATIONS0 0 0.002 向Z方向扩展，每个网格的纵向尺寸为0.002m，扩展0.05mm/0.002m=25次ELEMENTALL:EXISTRETURNSWEEP: ALLRETURN 清除重复的节点或单元，同时对几何体也有作用。RENUMBER: ALL 对节点和单元等进行重新排序，对计算速度有影响。RETURNRETURN 从RENUMBER菜单可以看出有限元模型的大小。 PLOT: POINTS, CURVES,SURFACES ELEMENTS:SETTINGSSOLID RETURN REDRAW 关闭点、线、面的显示，显示单元实体，为了更好地对网格操作。网格如下图。FILLRESET VIEW此处网格密，通过偏置系数设定。 上面对几何体划分网格，即现在已经存在了代表板材的有限元网格。注意，几何体是不能用于有限元计算的，有限元计算是通过计算代表工件的有限元网格节点上的物理量，来获得工件任意位置的物理量，只要你的有限元网格划分的足够细密。另外，由于平板的对接可以假设为关于某一个轴对称的情况，此处是关于X轴对称，这样就只需要建立板材一半的网格模型。19.3 施加材料性能对代表板材的网格施加物理性能，这是必须的，试想没有物理性能怎么计算温度、应力等物理量？由于材料的物理性能：杨氏模量、屈服强度、热膨胀系数、热传导系数等等都是和温度等变量相关的，那么首先要定义这些物理性能和温度等变量的关系。一般常常假设两者之间关系为多段线性的关系。这个关系一般用表格来实现。从操作简便的角度出发，先定义表格。MATERIAL PROPERTIES: MATERIAL PROPERTIESTABLES 很多菜单中都有TABLES这个菜单，不必非要在这里进入TABLES菜单。NEW: 1 INDEPENDENT VARIABLENAME: YOUNGERTYPE: temperature 这个表格的类型非常重要！表示物理性能和哪个变量相关！ADD0 1 300 0.8 500 0.5 800 0.1 1000 0.001 3000 0.001 这段输入表示0摄氏度时，杨氏模量的比例系数为1，300摄氏度时，比例系数为0.8，500摄氏度时，比例系数为0.5。，注意1000摄氏度3000摄氏度时的材料性能是假定的，水平延伸。注意，材料性能最小值不能直接设为0，X轴变量10-3即可！温度的最大值尽量大一些，绝对不能小于熔池的可能最高温度！这个错误很隐蔽！很容易犯！千万注意！FITY轴变量X轴变量依次定义屈服强度、热膨胀系数、热传导系数、比热等随温度变化的多段线性关系！NEW: 1 INDEPENDENT VARIABLENAME: YIELDTYPE: temperature ADD0 1 300 0.85 500 0.7 800 0.1 1000 0.001 3000 0.001FITNEW: 1 INDEPENDENT VARIABLENAME: EXPANDTYPE: temperature ADD0 1 300 0.9 500 0.8 800 0.9 1000 1.3 3000 1.3FITNEW: 1 INDEPENDENT VARIABLENAME: THERMALTYPE: temperature ADD0 1 300 0.9 500 0.8 800 0.7 1000 2 3000 2FITNEW: 1 INDEPENDENT VARIABLENAME:SPECIFICTYPE: temperature ADD0 1 300 0.85 500 0.75 800 0.6 1000 3 3000 3FITISOTROPICYOUNGERS MODULUS2.1E11TABLE:YOUNGERPOISSONS RATIO0.33MASS DENSITY 7800PLASTICITY:ELASTIC-PLASTICINITIAL YIELD2.5E8TABLE:YIELDRETURNTHERMAL EXP.1.2E-5TABLE: EXPANDRETURNRETURNHEAT TRANSFERCONDUCTIVITY40TABLE:THERMALRETURNSPECIFIC HEAT500TABLE:SPECIFICRETURNMASS DENSITY7800RETURNADD 定义完材料性能一定要施加到单元上！ALL: EXISTRETURNRETURN至此，材料性能定义完毕。实际的材料性能=材料性能基值TABLE。所以材料性能的基值绝对不能为0，可以是非0的任意数！表格基值19.4 建立焊接路径MODELING TOOLSWELD PATHSNEWPATH INPUT METHOD 输入电弧路径的方法：节点法NODES:ADD2469 2471 # 起点是电弧的起点，终点是收弧点，这是有顺序的！收弧位置起弧位置ORIENTATION INPUT METHOD 电弧的导向方法：节点法NODES ADD 416 #RETURNRETURN这样，焊接路径就设置好了，可以设置一条，多层多道焊接的时候需要设置多条！由于该题模拟的是平板对接焊补开坡口、无填充材料的情况，因此，无需建立焊接的WELD FILLERS。第一条焊接路径19.5 边界条件19.5.1 首先加载焊接温度场的边界条件BOUNDARY CONDITIONSNEWTHERMALMOREVOLUME WELD FLUX 施加焊接热源为双椭球体热源FLUX 一定要激活该选项POWER 焊接能量Q=UI4000EFFICIENCY 有效功率系数为=0.7，则有效功率为Q1= Q 0.7DIMENSIONS: 热源尺寸系数输入WIDTH 热源宽度0.006 DEPTH 热源深度0.005FORWARD LENGTH 热源前长0.003REAR LENGTH 热源后长0.015VELOCITY0.002WELD PATH: weld path1OKELEMENTS ADD:估计一下热源大概能包括几个单元范围，选择的单元范围略大于这个范围即可，也可以选择所有单元，但是显然，这样就增加了计算量。例如下图，焊接电弧大概能够笼罩到红色区域，那么选择的焊接热源的施加范围就要略大于这个区域！不要忘了单击鼠标右键确定选择的区域！RETURNNEWFACE FILM 施加工件和外界环境的对流FILM: COEFFICIENT 工件和外界环境的对流系数是4040SINK TEMPERATURE 环境温度为20摄氏度20OKFACES: ADD用拖动鼠标选择整个外表面，注意是外表面，决不是ADD ALL :EXIST！用脚也能想明白，板材内部怎么可能和外界传热呢？那么中间那个对称面不是外表面，因此要去除这个面上的散热条件！FACE: REM鼠标拖动选择对称面，不要忘了确定！正确的散热边界条件如下图至此，温度场边界条件定义完毕！仅计算温度场的话，下面的力学边界条件就不用定义了！19.5.2 定义力学边界条件RETRUN RENEW 记得点击这个NEW，不要把前面的边界条件覆盖了！MECHANICALFIXED DISPLACEMENTDISPLACEMENT XOKNODES: ADD选择如下图对称面上的节点，表示对称面上的节点不能沿X方向动！NEWFIXED DISPLACEMENTDISPLACEMENT YOKNODES ADD选择红圈中的三个点，记得确定！NEWFIXED DISPLACEMENTDISPLACEMENT ZNODES ADD:选择红圈中的点。RETRUNID BOUNDARY CONDS 检查一下你的边界条件是不是定义完全了？ID BOUNDARY CONDS 关闭边界条件显示RETURN19.6 定义LOADCASES19.6.1 定义焊接过程LOADCASESCOUPLEDQUASI-STATICLOADS 下图表明所有边界条件都起作用。不想起作用？那就麻烦你关闭一下。OK关闭3、4、5边界条件后的界面CONVERGENCE TESTING 计算收敛检查。DISPLACEMENTS 位移检查准则，最为精确RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE0.1 一般默认值就可以了，值越小，计算越精确！反之则反。建议不要超过0.2。MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE30 RETURN TOTAL LOADCASE TIME 定义焊缝的焊接时间。焊道长度l的话，焊接速率为v的话，那么焊接时间是多少呢？ 25CONSTANT TIME STEP 定义常时间步长PARAMETERS#STEPS25OKOK19.6.2定义冷却过程NEWQUASI-STATICLOADSapply1 取消apply1，已经没有焊接的边界条件了！OK5000CONVERGENCE TESTING 计算收敛检查。DISPLACEMENTS 位移检查准则，最为精确RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE0.1 MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE30 OK TOTAL LOADCASE TIME5000 5000s冷却到室温，这个数值只能大概估计，有经验就估计比较准确， 可以多给一些时间冷却，但不能少给了。ADAPTIVE: TEMPERATUREPARAMETERSMAX #INCREMENTS 500 这个参数也是估计值，多给没关系，不能少给了。INITIAL TIME STEP1 探测增量步的时间步长是1s，经验性的参数，少给一点，计算时间长一些，精度高一些。OKOKRETURNRETURN19.7 定义作业定义作业一般需要定义作业类型，和LOADCASE的类型必须保持一致！选择输出的结果，计算那几个LOADCASE，分析的维数等等。JOBSCOUPLESAVAILABLELcase1Lcase2ANALYSIS OPTIONSPLASTICITY PROCEDURE:SMALL STRAIN 将塑性过程从小变形切换到大变形LUMPEDMASS & CAPACITY 集中质量矩阵，能提高计算速度。OK JOB RESULTSSTRESSEquivalent Von Mises Stress 输出应力和等效应力OKRETURNSAVERUN 提交作业进行运算至此，一个简单的平板焊接有限元模型已经基本建立，记得保存。假如“我就不保存”，那就从头开始，再来一次。到时候找块豆腐来撞脑袋，不建议撞墙！19.8结果分析计算完成后退出号是3004，共花费了724s分析时间，当然你的计算机配置点一点，计算时间就长一点。退出号不是3004，一概错误！OPEN POST FILE(RESULTS MENU)19.8.1温度场结果分析SCALAR: TemperatureSKIP TO INC5下图为第5个增量步的温度场云图，该云图能够看出如下几个信息！1）当前为第5个增量步，5s时刻；2）温度场峰值温度为1647；不同的云图颜色与色标对应就能读出一个大概的范围，比如下图，黄色区域为14821647之间。熔池位置作进一步处理看清熔池的大小SCALAR PLOT: SETTINGSMANUAL0 1500 钢材的熔点为1500，仅显示01500的温度颜色注意：熔池大小一般在焊接温度场达到稳态时观察，比如，焊到板材的中部位置，否则不真实。1500以上区域表示熔池大小RETURNSKIP TO INC12PLOT NODESELEMENTS SETTINGSEDGES:SURFACEREDRAW 显示单元边长和节点，以便后续操作。如下图UTILSDISTANCE用测量两节点距离的方法来测量熔池的长度，可以大概估算一下。本例题当前参数模拟获得的熔池尺寸为9mm2.5mm2.5mm左右。假如已经有实验获得的熔池的尺寸，则可以和实验的值对比，以证明有限元模型的正确性。显然，这个熔池和我们前面设定的熔池系数有很大的差别，这是很正常的。熔池系数只是一个大致的数学表达，一些文献建议取实际熔池尺寸的80%左右，其实这是毫无理论依据的，但是有一定的计算经验在里面。如何获得一个正确的熔池形貌本人建议：1） 在以能量方式施加热源时，从实验获得的熔池形貌尺寸开始探测，即通过反复调整熔池尺寸系数，反复计算温度场，并将计算的熔池尺寸和实际的熔池尺寸对比，若发现某一个方向尺寸偏小，则适当方法这个方向的熔池尺寸系数，反之则反。注意了，当熔池尺寸系数设置很大的时候，反而计算获得的熔池尺寸变小，这是由于有限的能量分配到过大的范围内，都有可能不出现熔池。2） 如果用施加能量的方法获得正确的熔池尺寸较为困难，建议直接画出焊道的形貌网格，用施加温度的方法来施加焊接能量。这样获得的熔池形貌肯定没有问题，而且温度场和实际的温度场也是十分接近的。所以，在一般的情况下，吐血推介用施加温度的方法来施加焊接能量。也可以通过观察截面来确定熔池的尺寸和形貌VIEWSHOW ALL VIEWS3RESET VIEWFILLRETURNRETURNRETURN 回到POSTPROCESSING RESULTS 面板SELECT ELEMENTS选择如下图位置的单元MAKE VISIBLEVIEWSHOW ALL VIEWS1焊接熔池RETURNRETURNRETURN 回到POSTPROCESSING RESULTS 面板PATH PLOT 看看此时沿焊接中心线上的温度是怎么分布的？NODE PATH2496 2471 # 焊接中心线路径的起点和终点VARIABLES ADD CURVEArc lengthTemperature 表示x轴是路径的上节点的坐标，y是温度 即沿这条路径温度是怎么分布的。FITRETURNCLIPBOARD:COPY 拷贝这些数据到剪切板，可导入ORIGIN中处理。 ORIGIN不会用的话，学一下吧！ 熔池中心位置起弧端收弧端，此时仍未焊接起弧端RETURNHISTORY PLOT 可以观察一下某一些节点在整个焊接过程中的温度是怎么随时间变化的SHOW MODEL 切换至模型SET NODES2486 2460 2434 2408 # COLLECT GLOBAL DATA 收集这些节点结果中的所有数据NODES/VARIABLES ADD VARIABLEGLOBAL VARIABLES: TimeVARIABLES AT NODES: Temperature 显示这些节点上时间和温度的关系FITRETURNSHOW IDS0 关闭曲线上的数据标号XMAX 50 调整X轴的最大值为50，更好的观察曲线如下图所示，温度-时间曲线在焊接中称为热循环曲线，这个曲线十分重要！从这个曲线可以看出热循环的主要特征参数，比如Tmax,t8/5，t8/3，假如不懂这些参数是什么意思的话，去看一下焊接冶金学！一般在实验过程中也能够测量出一些位置的热循环曲线，和有限元分析的结果去对比，以证明有限元模型的正确性！这一点也很重要！ 至此，温度场的分析基本完毕。19.8.2 应力场的分析 RETURNRETURN 回到POSTPROCESSING RESULTS 面板S