ANSYS Mechanical在焊接仿真中的应用

    2.2 焊接变形模拟常用方法

    由焊接产生的动态应力应变过程及其随后出现的残余应力和残余变形，是导致焊接裂纹和接头强度与性能下降的重要因素，因此针对焊接变形与残余应力的计算发展出了以下几种理论：

    解析法：一维残余塑变解析法

    该方法以焊接变形理论为基础，确定焊接接头收缩的纵向塑变与焊接工艺参数、焊接条件的关系，需要大量经验积累，此方法对规则等截面的梁型结构，较为适用。

    固有应变法：固有应变可以看成是残余应力的产生源。

    焊接时的固有应变包括包括塑性应变、温度应变和相变应变。焊接构件经过一次焊接热循环后，温度应变为零，固有应变就是塑性应变和相变应变残余量之和。焊接时，固有应变存在于焊缝及其附近，因此了解固有应变的分布规律就能仅用一次弹性有限元计算来预测残余应力大小及结构变形，但此方法同样着重与焊后结构的变形，属于近似方法，没有考虑整个焊接传热过程。

    热弹塑性有限元法：记录焊接传热过程，描述动态过程的应力和变形。

    热弹塑性有限元法首先进行焊接热过程分析，得到焊接结构瞬态温度场，再以此为结果，进行焊接应力和变形计算。由于该计算为非线性计算过程，因此计算量大，一般用来研究焊接接头的力学行为，而不用来进行大型复杂结构的整体研究。

3 焊接仿真案例

    3.1 基于ANSYS Workbench平台的焊接仿真

    针对如下部件采用激光焊，以ANSYS Workbench为平台，模拟该模型的温度场变化和应力场变化情况。

图6 激光焊部件

    ANSYS Workbench作为统一的多场耦合分析平台，支持数据协同，因此在Workbench中建立该焊接分析的耦合项目，如下图所示。

图7 建立焊接分析的耦合项目

    在本例中，仅以说明焊接仿真流程为例，因此材料假定为线弹性结构钢，在EngineerData中输入材料参数如下：

图8 输入材料参数

    ANSYS Workbench以ANSYS Meshing为基础对模型进行网格划分，对于此模型中的两个焊接件和焊缝均以六面体方式进行划分，除此之外，软件还提供了大量的size function、局部控制等功能，针对不同特征的几何模型进行高质量的网格划分。

图9 对模型进行网格划分

    以Workbench平台以基础对焊接过程进行瞬态热分析需要用到基于ANSYS Workbench开发的Moving_Heat_Flux插件。该插件嵌入在Workbench界面中，提供了以平面高斯热源法为基础的移动热源分布方式，在该插件中用户可以指定焊枪移动速度、焊接电流、功率，焊接时间等参数。除此之外，进行传热过程分析，还需要输入瞬态热分析所需的其他边界条件如Convection等。此案例中输入的焊接相关参数如下所示：

图10 焊接相关参数

    针对此类大规模仿真问题，建议使用HPC高性能计算，可以充分发挥计算机硬件性能，大幅度提高求解效率。最终针对该参数下的焊接瞬态热分析结果如下：

图11 焊接瞬态热分析结果

    基于瞬态热分析之上，可以进行焊后应力分析。通过前述建立的ANSYS Workbench的耦合分析流程，通过import load方式将热分析温度场传递给结构场进行应力分析。

图12 焊后应力分析

    同时根据实际工况对该构件施加约束，进行应力分析，最终得到某一时刻应力云图如下所示：

图13 某一时刻应力云图