ansys软件在焊接领域的应用

1、ANSYS 软件在焊接领域的应用和前景A NSYS 是计算机辅助工程 (CA E 领域应用最广泛的有限元分析 软件 , 通过对该软件的 系统组成 、工作流程和工作原理等方面进行分 析 , 对有限元方法 FEM 在 焊接热效应 领域的应用进行了研究。 ANSYS 能与其他主流 CAD 软件双向传递 数据 , 具有多物理场分析能力和便捷 的前后数据处理能力 , 通过基于 ANSYS 的虚拟试验 平台 , 可以低成本、 高效率优化与焊接热效应 相关 产品设计方案 , 因而在焊接研究和生产 方面有着广阔的应用前景。焊接是一个涉及许多学科的复杂的物理 化学过程。由于焊 接过程涉及的变量数目繁多, 单凭积

2、累工艺试验数据来深入了解和控 制焊接过程, 既不切实际又成本昂贵和费时费力。 随着计算机技术的 发展,通过一组描述焊接基本物理过程的数学方程来模拟焊接过程, 采用数值方法求解以获得焊接过程的定量认识, 即焊接过程的计算机 模拟, 成为一种强有力的手段。 计算机模拟方法为焊接科学技术的发 展创造了有力的条件。1993 年, 美国能源部组织美国、 加拿大、 日本、 瑞典、 英国的 25 位著名专家对 21 世纪焊接科学技术的发展动向做出预测, 其中焊接 基本现象的模拟与仿真被列为最重要的研究方向之一 。 我国国家自 然科学基金委员会制定的学科发展战略也将计算机模拟确定为机械 热加工领域的发展方向之

3、一 。 计算机模拟是使包括焊接在内的热加工工艺研究从“定性”走向“定量”、 从“经验”走向“科学”的重要标志。 采用科学的 模拟技术和少量的实验验证, 以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法, 不仅可以节省大量的人力和物力, 而且还可以通过数值模拟解决一些目前无法在实 验室里进行直接研究的复杂问题。 在制造业, 计算机模拟与仿真可以增加材料利 用率 25 %,节约生产成本 30 %,产品设计至实际投产的时间缩短 40 %。焊接过程数值模拟中, 热源拟合,温度场的模拟是最基本的工作,然 后就是应力和变形的模拟。 我们可以看到大量这方面的文章, 温度场 的模拟起步也较早, 也积累了比较丰富的经验

4、, 在实际生产中得到了 一定的应用。 温度场的模拟是对焊接应力、 应变场及焊接过程其他现 象进行模拟的基础, 通过温度场的模拟我们可以判断固相和液相的分 界, 能够得出焊接熔池形状。 焊接温度场准确模拟的关键在于提供准 确的材料属性, 热源模型与实际热源的拟合程度, 热源移动路径的准 确定义, 边界条件是否设置恰当等。 与通用软件相比,专业焊接软件 使用起来更加方便, 减少了通用软件很多操作时间。 例如 SYSWELD 中 有焊接热源模型,有双椭球(Goldak 热源模型(适于 TIG , MIG 焊 接及圆锥(Conical 热源模型(适于激光、电子束等焊接可以 供使用者选择; 并且具有热源

5、校准功能, 使得热源的拟合尽可能与实 际情况相吻合。 焊接应力与变形问题可以分为两类, 一是焊接过程中 的瞬态应力应变分析, 二是焊接后的残余应力与应变计算。 对后者进 行分析计算的较多,主要是为了减少残余应力,控制变形,防止缺陷 的产生。 经过几十年年的发展,应力与变形的计算日益成熟。结果精 度也在不断提高。改进了计算方法的效率和稳定性,计算速度更快, 收敛性更好。 还有很多程序应用了并行计算功能, 进一步提升了计算 速度, 模型也考虑得更加精细。 深入研究了对焊接应力与变形的影响 因素。例如材料属性随温度变化,焊接接头几何形状,焊缝道数,不 同的焊接方法等等。 对于焊接局部模型, 存在非常

6、强烈的非线性特征,材料经过高温, 相变, 冷却后会有残余应力,因此对焊接附近需要进 行详细模拟。而作为整体结构而言, 可能又体现为弹性变形,所以线 弹性分析就够了。因此对于多道焊接的问题,采用先局部,再整体, 将局部模型的内力映射到总体模型上的方法具有很大优势, 能够快速 得到整体模型的应力和变形结果。 对应整体模型完全按照局部模型的 细节进行仿真,可能计算量会大的无法承受,事实上也没有必要。 利用 SYSWELD 的焊接仿真,最大挠度模拟值为 23.4毫米,试验值为 23.8毫米目前国际上不锈钢车辆上采用的多为奥氏体系 SUS301L 类不锈 钢材料。这类材料不仅具有较高的抗拉强度 (930

7、MPa , 还具有良好 的冲压性能 ,同时还具有较好的点焊焊接性。 现在 ,车辆设计者借助 于电子计算机进行有限元计算方法 (如 ANSYS 软件 , 来分析车体的受 力、 变形以及应力分布情况 ,充分地利用了材料的高抗拉强度 ,设计 出薄壁筒型和板梁结构的车体。 车体钢结构主要由侧墙、 底架、 车顶、 外端等部件构成。不锈钢车体结构受力部件主要使用不同强度等级 SUS301L 不锈 钢 ,此外在底架等关键部位还采用了少量的高强度耐候钢、 低合金结 构钢和铝合金等材料。不锈钢板材的冲压性能是衡量不锈钢材料在 1综述述评车体上应用的重要指标 ,不锈钢材料的热物理性能又决定 了不锈钢车体的制造工艺

8、主要采用电阻点焊方法。针对不锈钢车体大多采用无涂装形式和点焊焊接方法的要求 ,其车体结构与碳钢车体有着较大差别。在车体结构上的主要特征为 :便于点焊作业的骨架连接方法 (如骨架之间采用专门设计的连接 板 。 结构设计考虑了点焊的工艺性 ,尽最大可能消除角焊、 对接焊 等焊接变形较大的电弧焊结构 ; 采用冷滚压成形的波纹车顶板 ,以 增加纵向刚度和垂向刚度 ; 取消了车顶纵梁 ,同时也简化了点焊工艺 ; 采用盲窗结构 ,提高了车体的密封性和强度 ; 增设车下裙板 ,加大车 体钢结构断面 ,提高车体的垂直抗弯刚度 ; 对于受力较大且点焊组 装难以保证强度的部位或部件 ,采用低合金钢的角焊、对焊结构

9、 ,如车体底架的端部处 ;由于无涂装不锈钢车体表面质量要求较高 ,对热变形控制严 格 ,传统碳钢车体采用火焰调平外板的方法受限 ,因此在设计上使 车体的结构非常适合于装配 ,在工艺上严格控制焊接热量输入以减 少焊接变形。 例如 ,车体钢结构各大部件连接处均留有合适的装配间 隙 ; 通过采用最佳焊点分布和控制点焊焊核直径等措施 ,在保证连接 强度的前提下 ,减少热量输入。 此外 ,借助于 ANSYS 等计算机三维分 析软件 ,对不锈钢车体结构进行强度分析和优化设计 ,最大限度地 利用不同强度等级的不锈钢板材 ,改进和优化了不锈钢车体的设计 结构。由于不锈钢车体的整个结构与传统的碳钢车体有较大差异

10、 ,因而其焊接制造工艺与传统的车体焊接工艺有很大不同。为预冲窗口的通长墙板 ,采用真空吊具吊运 ; 侧墙钢结构的吊运 也须采用专用吊具。 不锈钢车体的外包板不涂装是车辆设计和制造的 难点之一 ,侧墙的设计和制造应主要考虑如何保证侧墙的平面度和侧墙表面质量。 实践证明 ,采用单面点焊工艺代替双面点焊和弧焊工 艺 ,是减少因双面点焊造成的焊点凹陷和弧焊造成的焊接变形的有 效途径。 侧墙外表面因失误而造成损伤的修复工作 ,目前尚无可推荐 的方法 ,需要通过实践 ,不断研究和提高。焊接在工业中的应用是不言而喻的, 但同时焊接过程中产生的残 余应力往往又会导致焊接失效。 因此, 在工业中一般都要对残余应

11、力 进行消除, 但这种消应力处理往往在实际结构或环境中难以实现, 就 必须进行破坏性分析。随着我国核反应堆的建设及运行, 核级设备及管道会出现较多的 缺陷, 有的缺陷必须进行打磨后焊接修复, 同时要进行力学分析评价, 此时, 力学分析就必须考虑由焊接而产生的残余应力。 对于焊接后结 构中的残余应力大小及分布, 会因结构形式、 焊接方式及材料特性的 不同而不同。 某核电站控制棒驱动机构 (CRDM 耐压壳上部 环连续 两年都出现了泄漏, 并在检修期间进行焊接修复。 焊接公司委托美国 公司对修复后的结构进行了力学分析和评定。 焊接残余应力的有限元 计算是关键技术之一,也是难点。通过本课题的研究,掌

12、握有限元模拟焊接过程及残余应力计算, 能够提高我国焊接修复工程缺陷的分析能力, 优化不符合项的处理程 序,达到既节约时间和资金又满足工作性能和安全性能的目的。有限元生死单元是指在模型加载过程中的某一指定时间， 控制单元的 生死选项，以实现在此指定时间内结构的“存在”或“不存在”。 单元生死选项并非真正的删除或重新加入单元， 死单元在模型中 依然存在，但其单元载荷、质量、阻尼、比热等为 0。死单元的质量 和能量将不包括在模型求解结果中。 若使单元重生，即在前处理器中激活它们，单元特性就建立了， 这样就能实现焊接过程中原不生效的熔融材料变为生效的模型体的 一部份。 在 ANSYS 程序中，单元类型

13、 PLANE55 (热单元和 PLANE182 (结 构单元都支持单元生死功能，将分别应用于温度场计算和应力计算 分析中。 单元生死分别用 EALIVE 和 EKILL 命令执行， 并打开分析选 项中的完全牛顿-拉佛森(full Newton-Raphson 方法，将得到较好 的非线性计算收敛结果。 利用有限元生死单元技术既可模拟焊接过程中的堆焊部分，分 别加载能量进行温度场计算达到模拟焊接的整个过程。 分析时首先建立有限元模型， 见图 4， 平面单元均为 PLANE55 (热 单元，接触单元用 CONTA171 (接触元和 CARGE169 (目标元，其捏 合压力为 1.8Pa(2.62E-

14、4ksi，摩擦系数为 0.5。 超声波技术已经广泛应用于金属、塑料焊接工艺中。焊接工装 （Horn） ，因其对结构动力学方面的高性能要求，传统的仿造、修模 设计方法已不能适应塑料产品多变的要求。 本文从超声波塑料焊接的 原理入手，通过有限元法进行固有频率和模态分析，设计新型工装， 满足有效传递和均匀分配振动能量的功能要求。在设计过程中结合 ANSYS 的参数化建模、全因子实验设计优化（DOE）和概率设计系统 （PDS）模块，进行参数设计和健壮性设计，调整几何尺寸，使得工 装的固有频率和超声波频率匹配，对应的模态在工作面振幅均匀，减 少了局部结构应力集中的问题， 同时对材料和环境的参数变化有较好

15、 的适应性。所设计的工装一次加工完成投入使用，避免了反复修整工 装所带来的时间和成本上的浪费。 国内有不少超声波设备供应商自行生产焊接工装，但是他们中 有相当一部分是仿制已有，然后不断的修整工装、测试，通过这种反 复调整的方法达到工装与设备频率协调的目的。本文通过有限元方 法，在设计工装时就能把频率确定，制造出来的工装测试结果与设计 频率误差不过 1。同时，本文引入 DFSS（Design For Six Sigma） 的理念，对工装进行优化和健壮设计。6-Sigma 设计的理念是在设计 过程中充分收集客户心声进行针对性的设计； 并且预先考虑生产过程 可能出现的偏差，保证最终产品的质量分布在合

16、理的水平内。设计流 程如图二所示，从制定设计指标开始，首先根据已有经验初步设计工 装的结构和外型尺寸，在 ANSYS 中建立参数化模型，然后通过仿真实 验设计（DOE）方法确定模型中的重要参数，根据健壮要求，确定数 值，接着对其他参数用子问题法进行寻优。考虑到工装在制造和使用 过程中材料、环境参数的影响，还对其进行了公差设计，满足制造成 本的要求。最后是制造、测试检验理论设计和实际的误差，满足设计 指标即交付使用。设计焊接工装首先是确定其大致的几何外型和结 构，并建立参数化模型，以便进行后继分析。图三 a）是最为常见焊 接工装的设计，在一个近似长方体的材料上沿振动方向豁开若干个 U 型槽。整体尺寸是 X、Y、Z 三个方向的长度，通常横向尺寸 X 和 Y 与 被焊接工件的大小相当。Z 的长度等于超声波的半波长，因为在经典 的振动理论里面，