ANSYS Mechanical在焊接仿真中的应用

    3.2 基于ANSYS经典界面的焊接仿真

    如前所述，在以Workbench为平台进行焊接仿真时存在诸多限制，例如无法选择其他形式的热源模型，因此用户可以基于ANSYS经典版进行焊接仿真。基于ANSYS经典版进行焊接仿真时，可以以命令流的方式进行，将焊接参数以参数方式读入，对于优化焊接分析，十分方便。

    本例中，焊接温度场模拟采用焊板尺寸为200mmX200mmX6mm，试件材料为Q235A，材料参数如下表所示。为保证焊透，两块钢板开45°坡口。焊接方式采用电弧焊，焊接参数为：焊接电流180A，电弧电压20V，焊接速度4.8mm/s，焊接热输入0.75kJ/mm，焊接效率η=0.825，结构与空气的换热系数为15W/(m^2*℃)。

图14 焊接试样尺寸

    在ANSYS经典版中建立该构件的几何模型，采用solid70，建立好的模型如下图所示：

图15 模型

    通过MP命令建立完整的材料参数表，如下图所示：

图16 建立完整的材料参数表

    通过esize等命令，对该模型进行局部网格控制，生成六面体网格，并达到较高的网格质量。有限元模型如下：

图17 对模型进行局部网格控制

    本例中同样采用高斯热源方式进行模拟，相关焊接工艺以参数方式表达，为后期优化提供基础，典型的命令流如下：

图18 命令流

    对该模型底部施加固定约束，根据APDL中设定的求解参数进行迭代计算，迭代曲线如图所示：

图19 迭代曲线

    经过求解计算后可以得到该焊接件的温度场分布云图，如下图提出的某时刻温度场分布云图：

图20 某时刻温度场分布云图

4 总结

    通过以上介绍，以ANSYS软件为基础可以方便的进行焊接过程的温度场和应力场仿真，目前在Workbench中仅支持以插件的形式进行焊接仿真，并且只能考虑平面高斯热源的热源分布方式，如需考虑其他方式的热源方式，需要以ANSYS经典版为基础进行APDL编程，除此之外，用户还可以采用生死单元的方式进行焊接仿真，需要注意的是，生死单元的方式即通过控制单元生死的方式来模拟焊缝填充过程，采用该方式可以模拟较为复杂的热输入情况，由于热源分布与生死单元是两种不同的计算方式，因此不能叠加使用。

    ANSYS软件通过完整的材料本构关系、求解能力，为焊接仿真提供了强有力的技术保障，因此设计人员可以以此进行焊接仿真，为电流、电压等焊接工艺参数的设置提供参考依据，从而合理优化焊接工艺。