sysweld焊接软件立项报告航天

1、SYSWELD 焊接立项报告目 录1 前言22 焊接 的作用33 焊接 的调研与考核44开发商法国 ESI 集团简介65 SYSWELD 特点76 SYSWELD 航空航天应用217 SYSWELD 用户情况268 SYSWELD 硬件及系统要求279 SYSWELD 模块配置建议271 前言长期以来，对于焊接工艺的改进主要依靠经验和试验，一直缺乏一套专业的、有效的 和 。模拟是 设计、 过程并 早期服役可能出现问题的最好解决 。当前，有限元理论已十分成熟，相应的模拟商业 也逐步趋于成熟，并在各行各业逐步发挥其巨大的作用。，现代航天 工艺越来越复杂，性能、精度要求也越来越高，依赖试验的设计 设

2、计费用越来越高，周期越来越长，也越来越不容易保证可靠性。而从一些发达 汽车行业的经验来看 技术的应用可以大大减少试验的比重，减少了设计的盲目性，节省 的设计费用，设计周期也大大缩短。从我厂焊接专业发展的角度看，急需 在数值 这一方面提高一个层次，实现我厂研发能力的 式发展。，焊接工艺 的开发是一项技术含量很高、专业性很强的工作，作为一个设计 ，自行开发不切实际。国内一些专业 开发的同类 在实用性、规范性和易用性等方面都有不足。ESI 集团的SYSWELD 经过 40 多年的发展，已成为焊接、焊接装配和热处理过程模拟的领先模拟 ，能够全面考虑材料特性、设计和过程的各种情况。引进 SYSWELD

3、，从短期来看会提高设计和工艺 水平，在当前在研项目中立即产生效益；而从长远来看 工艺计算和 的大量应用必将彻底改变我厂原有的工艺方式，最终提高我厂焊接件的质量。2 焊接 的作用焊接 是在实际 焊接 前通过三维建模和有限元分析技术为了模拟、评价和优化焊接工艺方案和工艺参数而开发的专业CAE 系统。它可以精确模拟材料机械、物理和冶金面性能的变化过程和结果，从而获得整个热 过程中的金相组织、化学元素的扩散与偏析、温度场、应力场、硬度、变形等各种 ，利用这些信息，优化焊接工艺参数和工艺方案，提高焊接质量，更进一步为 变形分析和残余应力分析提供足够的理论依据。目前，引进 SYSWELD ，利用 SYSW

4、ELD 模拟我厂激光， ， VPPA 等各种焊接过程，可以考虑装卡条件、焊接顺序对焊接变形和应力影响，优化装卡条件和焊接顺序，提高和确保焊接件质量；就长远而言, 引进SYSWELD 可以降低我们的试验成本，解决我们资深焊接工艺 匮乏的问题，帮助年轻焊接工艺 快速积累焊接经验。因此我们有理由相信，引进 SYSWELD 将会大大提高我们的焊接工艺水平。焊接 对于我厂技术的传承也很有帮助，通过 我们可以将焊接技术和经验进行科学的直观的描述和 ，使得过去的一些抽象的经验变为简单明了的纸面文档进行记载和保存，有利于焊接技术的 延续和资源共享。3 焊接 的调研与考核经过上述分析，焊接 的引入是十分必要的，

5、它对我厂的虚拟 技术和焊接技术的发展将起到极大的推动作用，因此我们对 市面上的焊接 进行了调研和考核。对市场上焊接 的调研和考核SYSWELDMarcAnsys开发者ESIMSCANSYS 在焊接和热处理方面的应用经验40 年的工程经验和验证,强大的焊接和热处理模拟支持较少的应用性开发, 有少量专业支持较少的应用性开发, 无专业支持焊接热源及轨迹简洁、方便有专门工具无，需要二次开发无，需要二次开发可模拟的焊接种类熔化焊(TIG,MIG,电子束,激光束等)；主要模拟对象，40 年工程经验和验证，模块成熟高效可以模拟, 需要一定二次开发可以模拟，需要一定二次开发焊接装配主要模拟对象，工程经验和验证

6、足，有体积收缩法和热循环曲线法，所需时间短，结果准确可以模拟， 但需要使用者进行二次开发可以模拟，但需要使用者进行二次开发点焊有相应模块，简单方便，且已经过工程验证可以模拟， 但需要使用者进行二次开发可以模拟，但需要使用者进行二次开发钎焊有解决方案无无经过上述分析，焊接 的引入是十分必要的，它对我厂的虚拟 技术和焊接技术的发展将起到极大的推动作用。因此我们对市面上的焊接 SYSWELD、Marc、Ansys 等进行了调研和考核。对比分析如下：搅拌摩擦焊有相应模块无无可模拟的热处理种类淬火主要模拟对象，工程经验和验证足需要二次开发需要二次开发退火/回火主要模拟对象，工程经验和验证足需要二次开发需

7、要二次开发化学热处理主要模拟渗碳工艺， 工程经验和验证足需要二次开发需要二次开发可否模拟焊接的金属学行为（如相变）基于专利 blend 模型可以模拟出相的含量百分比通过潜热来考虑相变通过潜热来考虑相变特殊的用于模拟焊接的 Local-global体积收缩法无无可否模拟硬度可以未见无材料库专门的铁碳合金和铝合金材料库；用户可通过 EXCEL 模板添加的材料库通用的少量材料通用的少量材料后处理专业后处理显示模块通用的后处理显示模块通用的后处理显示模块 焊接及热处理专门网格生成工具专门的网格制作工具visual mesh,专门针对热处理的分层网格和专门的焊接功能集成前处理网格划分器通用网格划分器并行

8、计算有有有界面专业焊接热处理 提示界面，符合工程师的应用习惯通用有限元界面通用有限元界面由于我厂焊接零件比较大，焊接变形复杂，使得焊接时装夹条件和焊接顺序有很多，我们要求焊接 可以在虚拟环境下模拟出这种复杂的环境，以方便我厂工艺 更 选择合适的焊接工艺方法、工艺参数、装夹条件和焊接顺序。通过多方的努力和 咨询， 结合兄弟 如航 211 厂、三院 8358、159 厂、283 厂、7103 厂的选用情况，我们把目标缩小到具有代表性的专业类焊接SYSWELD 上，并对它进行了考核。4开发商法国 ESI 集团简介ESI 集团是在法国巴黎上市的世界最大最著名的 CAE 公司之一。作为虚拟测试方案的先锋

9、，ESI 集团是全球首屈一指的材料物理学数值模拟原型和 流程供应商。ESI 集团的关键在于使用真实材料物理特性，能够进行更真实的模拟，来代替耗时的物理样机尝试和纠错 过程。ESI 集团开发了一系列完整的面向工业应用的，真实模拟产品在测试中的性能，精细协调 过程与预期的 性能间的 ， 并评估环境对 使用的影响。ESI 集团主要分为虚拟样机、虚拟 和虚拟环境三大类。ESI 集团的组合，已经被工业界广泛验证并与多向价值链相结合，代表着独特的协同、虚拟工程方案，称为虚拟试验空间（VTOS），能够持续对虚拟样机进行改进。ESI 集团在汽车、航空航天等领域有大量客户，并承担了法国及欧洲众多汽车公司、航空航

10、天及防务方面的咨询项目。2013 财政年度的收入约为 1.09 亿欧元，在全球拥有逾近 1000 名次 。公司及其全球 网络为 40 多个的客户提供销售和技术支援。ESI 集团的焊接模拟解决 起源于法国核工业巨头 通公司，当初是为了解决焊接过程中的变形和应力分布而发展起来的，现经过 40 多年的发展，在工业方面已经积累了丰富的经验和案例，已在全球成为热处理、焊接和焊接装配过程模拟的领先技术方案， 其能够全面考虑材料特性、设计和工艺过程，是包含强大的网格划分、完善的材料数据库、简单易用的焊接/热处理 等的专业的成熟的焊接模拟 全面解决方案，是迄今为止世界上唯一整合了各种焊接 的有限元模拟 解决方

11、案，是世界上应用的成熟、广泛、专业的焊接模拟 ，是融合了前端可行性评估，几何和过程优化，及详细的过程验证于一个 系统。5 Sysweld 特点5.1 ESI 集团焊接解决方案 简介ESI 焊接模拟解决方案的组成主要为：(1) VISUAL-MESH(网格划分工具)主要用于焊接及热处理过程模拟 的网格准备；(2) SYSWELD（焊接及热处理分析）用于工件的焊接及热处理具体工艺过程模拟 分析；(3) WELD-PLANNER (焊接装配分析工具)是 ESI 集团专业的焊接装配快速模拟 ；即：图 1ESI 焊接模拟解决方案的组成1) VISUAL-MESH专业网格划分工具VISUAL-MESH 是

12、基于 ESI 集团 OPEN VTOS 平台的专业网格划分工具。其强大的网格划分能力，可以支持一维、二维和三维网格的划分和编辑，也可以支持对壳单元和实体单元的混合划分；同时其专有的热处理二维、三维层划分和焊缝自定义能力与 SYSWELD、WELD-PLANNER 无缝链接，更是对 SYSWELD 提供了优秀的网格前处理工具。图 2曲轴的六面体网格SYSWELD/Visual-mesh 数据输入/输出SYSWELD/VISUAL-MESH 提供了建立有限元网格的图形建模功能，可以导入 CAD 数据，自动清除并准备有限元分析。网格划分功能概念SYSWELD/VISUAL-MESH 给工程师提供了产

13、生有限元网格模型的强大算法。Patch independent 表面网格及自动化网格划分（六面体、四面体），用于焊接及热处理分析。图 3 变形结构上的压应力显示图 4 曲轴的表面热处理2) SYSWELD焊接及热处理分析工具SYSWELD 是法国核工业巨头 通公司开发的工业级焊接、热处理模拟 ，现由法国 ESI 集团完全收购拥有，同时法玛通公司也是我们最大的客户和合作伙伴。其专业和友 工具组，可以使工程师利用不多的有限元知识就能够 和优化焊接、热处理过程，显著减少物理样机和分析周期，降低企业成本， 得到较高的投资回报率。综合的材料数据库SYSWELD 的综合材料数据库主要的钢，铝合金和灰口铁，

14、有相当复杂并且依赖于温度和相的热、机械和冶金材料属性。 SYSWELD ADVISORS：按工程方式操作SYSWELD ADVISORS 显著减少热处理、焊接和焊接装配模拟的计算准备时间。自动求解器图 5 传热系数SYSWELD 求解器提供了焊接及热处理问题自动的解决方案，覆盖了所有相关复杂数学和材料物理特性。计算结果依赖于化学单元的温 度、 比例；热和力学属性通过计算得出， 材料的相变焓、熔化和凝固、大应变、塑性和塑性转变;另外 SYSWELD 求解器利用了最先进的弹塑性模型使变形计算更加接近真实情况。点焊模块的点焊模块，可以模拟单个焊点的焊接过程，直观得到焊点熔核半径、温度场、应力场等结果

15、。搅拌摩擦焊模块的摩擦焊模块，可以模拟搅拌摩擦焊的焊接过程，直观得到摩擦焊过程的流线、材料 方向、温度场、应力场等结果。图形用户界面：高效，灵活界面 工程工具作为热处理、焊接和焊接装配顾问的一部分， 用来调整必要的过程参数并使工程流程更加直截了当和简单。多物理场后处理器多物理场后处理功能提供瞬态的过程 ： 温度场 加热和冷却速率 材料的金属结构 扭曲 应力 材料强化的屈服应力 塑性应变结果分析SYSWELD 提供大量用于分析焊接过程的显示方式，： 云图显示 等值线和等值面 矢量图 X-Y 图 标记图 数值表达 截面 动画显著优势：l 综合的完善的材料数据库，并可支持用户 添加修改材料库；l 完

16、善的专业自动求解器，能够求解覆盖了焊接、热处理所有相关的问题；l 易用的焊接、热处理 系统，通过顾问模式进行工艺模拟准备，具体见下图所示；图 6焊接、热处理界面l 多物理场后处理显示各种变量，数据直观表示及精确分析；3) WELD-PLANNER焊接装配分析工具WELD-PLANNER 致力于设计和生产规划，它使我们可以通过一天时间的模拟来 复杂焊接工艺的焊接变形，因而它在减少重复试验和减少校形成本上有重要的意义，WELD-PLANNER 与ESI 集团的其它焊接模拟方案很结合在一起，使我们可以从早期焊接设计细节和焊接质量评估上对生产进行管理。显著优势：u 易操作u 计算快速，高效u 基于直观

17、的 构造过程，可以自定义每个装配工序步的加载情况；u 能够优化、比较并最终选择最佳的焊接顺序和夹具工具；5.2 SYSWELD 技术性能SYSWELD 是一款专门用于进行焊接和热处理模拟分析的。它的焊接模拟分析包 有网格划分，焊接 ，解算器及一些必要的模块；集前后处理、解算功能于一体。SYSWELD 的 CAD 接口：l SYSWELD 模拟分析前处理具有完善的多接口设计，能够兼容主流三维 CAD 的设计结果。SYSWELD 的前后处理：l SYSWELD 的前处理功能强大，操作方便，简单易用；l SYSWELD 的后处理界面简洁、功能强大，焊接工程师利用该模块不但能进行云图、等高面、等高线、

18、曲线显示和分析，还可以进行特定位置（比如某些节点、截面）温度、残余应力、金相组织等结果的显示和分析；l SYSWELD 具有完善的多接口设计，可以与其他有限元进行；SYSWELD 的求解器：l SYSWELD 的求解器可以进行热、机械和相变的全耦合高精度计算，其求解精度高，求解速度快，并且完全与前后处理相集成，不需要用户干预，可自动进行求解计算，并且用户可以根据前处理文件对求解的精度和速度进行 。对于焊接问题，SYSWELD 能实现以下功能l 模拟焊接热源沿空间任意位置和方向的移动，有双椭球、2D 和 3D 热源模型，能进行热源的模拟和调整，并可以给出熔池和热影响区的截面图；而且用户可以利用这

19、三种热源模型组合新的热源模型；l SYSWELD 拥有焊接顾问模块，操作简单，流程化管理，易于掌握；l SYSWELD 能够模拟各种熔化焊（TIG 、MIG、点焊、束、激光等）；能够自动模拟相变，并可以进行硬度的计算；l 拥有 的多道焊模块，可以很方便的进行多道焊的模拟；l SYSWELD 包含铝合金和铁碳合金热处理及焊接模拟所需各种参数的材料库，并可以进行其他合金材料库的扩充；l SYSWELD 独有的焊接检查模块，可以方便的进行焊接过程材料、热传导、热输入、焊接轨迹、装卡条件和网格质量的 检查，并可以人为修订热输入，并能以函数的形式加载计算；l SYSWELD 对于非线性问题（几何、材料等

20、）计算，有着良 收敛性，并能由用户来进行运算模型和时间步长的调整；l 设置装卡条件时，SYSWEL 可以方便设置受力大小、转动、位移量以及温度等；l 利用SYSWELD ，支持焊接工艺 同时进行接触定义分析；l 利用SYSWELD ，用户可以很 不同材料或不同焊接工艺下零件的温度、变形、残余应力、硬度和屈服强度， 并能获取空间任意结点温度、变形和残余应力的大小；根据 残余应力大小可以 裂纹缺陷出现的可能性；l 利用SYSWELD 可以进行焊接裂纹趋势 分析，能够进行焊接裂纹扩展趋势分析和 ；对于焊接装配，SYSWELD 可以实现以下功能l SYSWELD 有模块可以快速模拟焊接装配问题，并能运

21、用local-global 和焊接宏单元技术方便快捷的进行焊接装配大件的求解计算；l 对于焊接装配问题，SYSWELD 可以利用壳单元定义焊接的装配件，并能进行焊接材料和厚度的定义，而以可以快捷计算；l 对于焊接装配问题，SYSWELD 可以通过简单修改焊接顺序或装卡条件，快速进行二次求解并给出模拟结果，从而进行焊接顺序或装卡条件的优化；l 支持钣金焊接工艺耦合分析计算，即工件冲压结果可直接导入到焊接分析 中，在焊接装配 时考虑钣金冲压对其影响；l 在焊接装配中，支持点焊装配分析功能并能与钣金工艺耦合分析。对于热处理，可以实现以下功能l 有热处理顾问模块，能模拟淬火、回火、退火、渗碳等热处理工

22、艺；l 有热处理过程导热系数的调节工具，方便的根据实验结果进行导热系数的调节；l 通过求解计算能模拟出热处理过程的变形及残余应力；l 拥有 工具可以计算出热处理后材料的硬度值；l 能够方便的设置热处理过程中的各种夹持条件，如受力、位移、温度等；l 拥有独特工具可以进行材料 CCT 曲线的校验；l 独有的热处理检查模块，可以方便的进行热处理过程材料、热传导、夹持条件和网格质量的检查；其他l 拥有 的点焊模块，可以模拟点焊；l 可以进行 装夹条件的模拟分析；l 支持SMP/DMP 并行计算分析；l 可以运用 SYSWELD 的SIL 语言进行的二次开发；l SYSWELD 支持 UNIX、WIND

23、OWS2000/XP/7 等在内的主流操作系统， 以在内部局域网上浮动使用5.3 ESI 集团焊接解决方案的作用SYSWELD 引导工程师去： 评估残余变形装配结构需要顺序连续焊接或点焊连接。因此，定义焊接顺序和位置对焊接装配过程是 的。通过模拟能够 焊接顺序和位置选择变形最小的方式，从而显著提高 质量和降低成本。将残余应力降至最小模拟焊接过程的目标是 焊接过程使应力梯度和表面拉应力最小，因此载荷循环结束后裂纹出现的更少，部件的 增加。另外还可以在部件表面出现压应力，有助于 部件质量避免由于拉应力造成的腐蚀 。研究几何，材料和过程参数的敏感性SYSWELD 可以减少设计阶段昂贵的设计差错。开发

24、循环每前进一步，修改的成本都在逐渐增加。SYSWELD 有助于优化新设计循环早期部件的几何，材料和过程参数，避免后来可能发生的昂贵的工程改变。图 7 空间构架焊接 Audi 图 8 重工业多层多道焊优化焊接过程SYSWELD 帮助用户定义焊接顺序并焊接 参数诸如速度、能量输入及很多其他参数。SYSWELD 解决的工程问题通过焊接顾问，自动求解器，及多物理场后处理器，SYSWELD 能够考虑多种因素，诸如：n 过程参数n 部件几何模型n 热，冶金和机械材料性能SYSWELD 还有一个市场上主要钢和铝合金的综合材料数据库。u SYSWELD 在焊接方面专注于：p 手工、汽保焊，MIG, TIG,

25、激光, 焊接等模拟p 非标准点焊和多层多道焊焊接模拟p 大型结构件的焊接装配u SYSWELD 在热处理方面专注于：p 淬火，回火，退火，调质，表面硬化p 化学热处理渗碳u SYSWELD 能够引导工程师实现：p 工件变形p 工件残余应力及分布情况p 工件金相组织分布和含量p 优化焊接和热处理工艺过程p 优化焊接装配过程中的焊接顺序等工艺过程(1) 工件变形优化焊接顺序和位置(2) 残余应力- 过程使应力梯度和表面拉应力最小(3) 优化焊接过程 -焊接 参数诸如速度、能量输入和很多其他参数SYSWELD 帮助焊接专业： 减少 变化 降低 花费及结构重量过程 优化 设计 在设计阶段早期将 的安全

26、性最大化 避免部件失效 突出导致变形和残余应力影响的所有物理影响作用。SYSWELD 是焊接最佳的解决方案。焊接装配SYSWELD 焊接装配模块是焊接和焊接装配过程，确保部件质量的理想模拟 。图 9 空间构架焊接，奥迪SYSWELD 是唯一的工程装配模拟，可以提供结构特性，耐久性和碰撞模拟，极大的提高生产率。SYSWELD 焊接装配满足工业需求并充分考虑了典型的工程装配问题：过程是否可行? 部件能够维持多长时间? 必须达到什么样的公差? 如何能够避免设计缺陷?图 10 典型汽车部件的装配，通用汽车6 Sysweld 航空航天应用焊接：航天结构优化焊接案例航空焊接装配变形案例航空焊接案例航空焊案

27、例航空航天焊接案例焊接案例焊接案例大厚度 案例搅拌摩擦焊案例7 Sysweld 用户情况Sysweld 从发展到现在已经有 40 多年的历史，目前 Sysweld在全球的用户情况如下： 工业：国外：Air Liquide, ALCOA, AW Engineering, Bechtel Bettis, BIAS, BOSCH, CEA Saclay.CEA Valduc, Centro Sviluppo Materiali, CETIM, CNRC-NRC, Corus Technology BV,DimlerChrysler AG, DENKI KOGYO, ELECTRIC BOAT, FH

28、G IWM, FHG IWS,FRAMATOME,GKN, HITACHI, KENKI HYUNDAI, INA, India Ghandi Center for Atomic Research, JFE SYSTEMS, KAIST, KATECH, Knolls Atomic Power Laboratory, NISSAN, POSCO, Pratt & Whitney Aircraft, PSA, RENAULT, Rolls Royce, SAMSUNG, SERCO, SETVAL, SHANGHAI BOASTEEL, SOLLAC,SUZUKI, TOSHIBA, T

29、OYOTA, UAM, VW, VZLU, ZF国内：航 211厂、三院8358、159厂、283厂、7103、成飞、沈飞、430、410、331、内蒙一机、北方重工、北方车辆、兵器52所、兵器167厂、汾重集团、船舶725、南车长江、南车 机车、南车戚墅堰机车厂、唐山轨道车辆厂、长春 、宝钢、核一院、中信重工、合肥等离子物理研究所等大学：很多大学利用SYSWELD做研究， 如： 、 航空航天大学、哈尔滨工业大学、天津大学、山东大学、大连交通大学、 工业大学、 石油化工大学、南昌航空航天大学等。8 Sysweld 硬件及系统要求系统要求，SGI, HP, SUN, 工作站，或 PC 上运行 的操作系统有