焊接仿真詳談【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-05-08 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

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

焊接變形的影響有:

焊接結(jié)構(gòu)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(yīng)力集中作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效;
結(jié)構(gòu)疲勞降低。

焊接變形的預(yù)測方法:

1、經(jīng)驗(試驗)法:

經(jīng)驗(試驗)法是通過試驗建立經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)曲線,用經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的負(fù)責(zé)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(jié)果來區(qū)分。

2、解析法

解析法(彈性理論方法)是基于經(jīng)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(chǔ)上的,故只能適用于一些焊接是通過熔化金屬進(jìn)行的連接的工藝過程。

3、數(shù)值模擬法

焊接數(shù)值模擬法又叫焊接計算機(jī)仿真,實際上就是熱傳導(dǎo)有限元解析法和非線性有限元應(yīng)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(shù)值模擬是以試驗為基礎(chǔ),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(shù)值方法求解以獲得該過程的定量認(rèn)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(gòu)關(guān)系)
意義:通過對復(fù)雜或不可觀察的焊接現(xiàn)象進(jìn)行仿真和對極端情況下尚不知的規(guī)則的預(yù)測,以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象的本質(zhì)特征,優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計,從而減少試驗工作量,提高焊接質(zhì)量。
應(yīng)用范圍:預(yù)測焊接溫度場、焊接參與應(yīng)力、大型結(jié)構(gòu)的焊接變形以及焊縫和熱影響區(qū)組織的預(yù)測。

焊接變形和殘余應(yīng)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(yīng)變和應(yīng)力的計算應(yīng)變和應(yīng)力的計算,即應(yīng)力解析即應(yīng)力解析。

焊接數(shù)值模擬主要包括固有應(yīng)變法和熱彈塑性有限元法。

3.1 固有應(yīng)變法

固有應(yīng)變可看成焊接殘余應(yīng)力之源所謂固有應(yīng)變可以看成焊接殘余應(yīng)力之源,物體處于即無外力又無內(nèi)力的狀態(tài)下作為基準(zhǔn)態(tài),固有應(yīng)變表征從應(yīng)力狀態(tài)切離后處于自由狀態(tài)時,與基準(zhǔn)態(tài)相比所發(fā)生的應(yīng)變。焊接時,固有應(yīng)變包括塑性應(yīng)變、溫度應(yīng)變和相變應(yīng)變。焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)過一次熱循環(huán)后,溫度應(yīng)變?yōu)榱?則固有應(yīng)變是塑性應(yīng)變和相變應(yīng)變的殘余量之和。

若已知給定焊焊接過程的固有有應(yīng)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(yīng)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(yīng)變法計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的殘余變形,需要建立一個龐大的固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫。這個數(shù)據(jù)庫是建立在這個數(shù)據(jù)庫是建立在熱彈塑性有限元分析和實驗以及長期的經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上的。

基于固有應(yīng)變理論預(yù)測焊接變形:

建立理想條件下船體焊接接頭固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫;
建立有限元模型;
以基于固有應(yīng)變有限元焊接專用軟件WSDP為基礎(chǔ),利用建立的固有應(yīng)

變數(shù)據(jù)庫,直接對船體有限元模型的焊接進(jìn)行計算.

對于不同的結(jié)構(gòu)要利用WSDP軟件進(jìn)行焊接變形預(yù)測計算軟件進(jìn)行焊接變形預(yù)測計算。

注:必須先要建立固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫;

對于典型焊接接頭的焊接,可通過熱彈塑性有限元法進(jìn)行計算;
除此之外,可利用其他行業(yè)的經(jīng)驗,如機(jī)車行業(yè),用WSDP軟件對焊接變形進(jìn)行分析,得出其焊接變形量。再根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和實際生產(chǎn)過程中積累的大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)對固有應(yīng)變基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行修正;通過計算得到的數(shù)據(jù)和實際生產(chǎn)中的的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,修正固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫。

固有應(yīng)變預(yù)測焊接變形流程

3.2 基于熱彈塑性理論的焊接預(yù)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(yīng)力應(yīng)變增量,逐步累逐步疊加,最終得到的則為殘余應(yīng)力與變形。

優(yōu)點:

綜合考慮焊接過程的幾何非線性、材料非線性和狀態(tài)非線性,考慮顯微組織轉(zhuǎn)變與液固相轉(zhuǎn)變對熱力過程的影響,研究移動熱源作用下的瞬態(tài)溫度場、熱應(yīng)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(jīng)過多次迭代才能達(dá)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(xué)行為分析,很少用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(chǔ)和實際應(yīng)用研究,特別是在單元技術(shù)的開發(fā)、網(wǎng)格劃分技術(shù)(動態(tài)可逆的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù))、多道焊組合處理、多臺計算機(jī)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(yīng)力

焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為焊接應(yīng)力,焊接完成后殘留在焊件結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的焊接應(yīng)力之為焊接殘余應(yīng)力。

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)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(yīng)力按其發(fā)生源來區(qū)分,有如下2種情況: