焊接仿真詳談【轉發】

2017-05-08 by:CAE仿真在線來源:互聯網

焊接是當前各行各業常用的加工手段,焊接水平的高低在很大程度上決定了產品的質量和生產效率,特別是船舶行業,而焊接變形又是焊接過程中最難控制的一環。

焊接變形的影響有:

焊接結構形狀變異,尺寸精度下降;
承載能力降低;
在工作載荷作用下引起的附加彎矩和應力集中作用下導致結構失效;
結構疲勞降低。

焊接變形的預測方法:

1、經驗(試驗)法:

經驗(試驗)法是通過試驗建立經驗公式和數據曲線,用經驗公式和數據曲線來估計焊縫的收縮量和角變形量。

局限性:

在一定條件下的試驗或生產實際中得到的,一般被限制在特定的變形模式上;
試驗受到時間和成本的限制。真實結構的負責焊接變形是由多種基本變形組合而成的。每個基本變形不可能通過有限的試驗結果來區分。

2、解析法

解析法(彈性理論方法)是基于經典彈性理論,忽略熱彈塑性的方法。

局限性:由于該方法是建立在平截面假定和其它一些假定的基礎上的,故只能適用于一些焊接是通過熔化金屬進行的連接的工藝過程。

3、數值模擬法

焊接數值模擬法又叫焊接計算機仿真,實際上就是熱傳導有限元解析法和非線性有限元應力解析法的組合,已成為線性問題及塑性破壞等非線性問題解析不可或缺的手段。

焊接數值模擬是以試驗為基礎,采用一組控制方程來描述一個焊接過程或一個焊接過程的某一方面,采用分析或數值方法求解以獲得該過程的定量認識。

核心要求:確定被研究對象的物理模型及其控制方程(本構關系)
意義:通過對復雜或不可觀察的焊接現象進行仿真和對極端情況下尚不知的規則的預測,以助于認清焊接現象的本質特征,優化結構設計和工藝設計,從而減少試驗工作量,提高焊接質量。
應用范圍:預測焊接溫度場、焊接參與應力、大型結構的焊接變形以及焊縫和熱影響區組織的預測。

焊接變形和殘余應力的計算有兩部分組成:

A)隨時間變化的溫度分布的計算,即溫度解析;

B)在變化的溫度場下地位移在變化的溫度場下地位移、應變和應力的計算應變和應力的計算,即應力解析即應力解析。

焊接數值模擬主要包括固有應變法和熱彈塑性有限元法。

3.1 固有應變法

固有應變可看成焊接殘余應力之源所謂固有應變可以看成焊接殘余應力之源,物體處于即無外力又無內力的狀態下作為基準態,固有應變表征從應力狀態切離后處于自由狀態時,與基準態相比所發生的應變。焊接時,固有應變包括塑性應變、溫度應變和相變應變。焊接結構經過一次熱循環后,溫度應變為零,則固有應變是塑性應變和相變應變的殘余量之和。

若已知給定焊焊接過程的固有有應變,使用線彈彈性有有限元代替替熱彈彈塑性有限元求解焊接殘余應力和焊接變形,這就大大縮短了計算時間。

核心要求:

要用固有應變法計算復雜結構的殘余變形,需要建立一個龐大的固有應變數據庫。這個數據庫是建立在這個數據庫是建立在熱彈塑性有限元分析和實驗以及長期的經驗積累的基礎上的。

基于固有應變理論預測焊接變形:

建立理想條件下船體焊接接頭固有應變數據庫;
建立有限元模型;
以基于固有應變有限元焊接專用軟件WSDP為基礎,利用建立的固有應

變數據庫,直接對船體有限元模型的焊接進行計算.

對于不同的結構要利用WSDP軟件進行焊接變形預測計算軟件進行焊接變形預測計算。

注:必須先要建立固有應變數據庫;

對于典型焊接接頭的焊接,可通過熱彈塑性有限元法進行計算;
除此之外,可利用其他行業的經驗,如機車行業,用WSDP軟件對焊接變形進行分析,得出其焊接變形量。再根據生產工藝條件和實際生產過程中積累的大量經驗數據對固有應變基礎數據庫進行修正;通過計算得到的數據和實際生產中的的數據進行對比,修正固有應變數據庫。

固有應變預測焊接變形流程

3.2 基于熱彈塑性理論的焊接預測法

跟蹤整個焊接過程,以給定的時間步長,計算出每一時刻焊接溫度場,以及計算出每個時間段由于溫度變化引起的應力應變增量,逐步累逐步疊加,最終得到的則為殘余應力與變形。

優點:

綜合考慮焊接過程的幾何非線性、材料非線性和狀態非線性,考慮顯微組織轉變與液固相轉變對熱力過程的影響,研究移動熱源作用下的瞬態溫度場、熱應力場與變形場。

局限性:

由于焊接熱彈塑性有限元計算過程是個典型的非線性過程,矩陣方程奇異性大,使得收斂困難使得收斂困難,需要經過多次迭代才能達到必要的收斂精度;
同時采用熱彈塑性有限元法需要跟蹤整個焊接及冷卻過程,這使得熱彈塑性有限元分析計算量非常龐大,長期以來該方法僅長期以來該方法僅適用于一般焊接接頭的力學行為分析,很少用于大型復雜結構的焊接變形研究。

需求:

要做到精確分析焊接變形,仍然需要大力開展熱彈塑性有限元的理論基礎和實際應用研究,特別是在單元技術的開發、網格劃分技術(動態可逆的自適應網格技術)、多道焊組合處理、多臺計算機并行計算、相似理論等方面的研究,以提高熱彈塑性有限元分析的計算速度和計算精度。(對軟硬件提出要求)

焊接殘余應力

焊接構件由焊接而產生的內應力稱為焊接應力,焊接完成后殘留在焊件結構件內部的焊接應力之為焊接殘余應力。

焊接殘余應力產生的主要原因是由焊接過程中不均勻加熱所引起的。焊接應力按其發生源來區分,有如下2種情況: