焊接仿真详谈【转发】

2017-05-08 by:CAE仿真在线来源:互联网

焊接是当前各行各业常用的加工手段,焊接水平的高低在很大程度上决定了产品的质量和生产效率,特别是船舶行业,而焊接变形又是焊接过程中最难控制的一环。

焊接变形的影响有:

焊接结构形状变异,尺寸精度下降;
承载能力降低;
在工作载荷作用下引起的附加弯矩和应力集中作用下导致结构失效;
结构疲劳降低。

焊接变形的预测方法:

1、经验(试验)法:

经验(试验)法是通过试验建立经验公式和数据曲线,用经验公式和数据曲线来估计焊缝的收缩量和角变形量。

局限性:

在一定条件下的试验或生产实际中得到的,一般被限制在特定的变形模式上;
试验受到时间和成本的限制。真实结构的负责焊接变形是由多种基本变形组合而成的。每个基本变形不可能通过有限的试验结果来区分。

2、解析法

解析法(弹性理论方法)是基于经典弹性理论,忽略热弹塑性的方法。

局限性:由于该方法是建立在平截面假定和其它一些假定的基础上的,故只能适用于一些焊接是通过熔化金属进行的连接的工艺过程。

3、数值模拟法

焊接数值模拟法又叫焊接计算机仿真,实际上就是热传导有限元解析法和非线性有限元应力解析法的组合,已成为线性问题及塑性破坏等非线性问题解析不可或缺的手段。

焊接数值模拟是以试验为基础,采用一组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一方面,采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识。

核心要求:确定被研究对象的物理模型及其控制方程(本构关系)
意义:通过对复杂或不可观察的焊接现象进行仿真和对极端情况下尚不知的规则的预测,以助于认清焊接现象的本质特征,优化结构设计和工艺设计,从而减少试验工作量,提高焊接质量。
应用范围:预测焊接温度场、焊接参与应力、大型结构的焊接变形以及焊缝和热影响区组织的预测。

焊接变形和残余应力的计算有两部分组成:

A)随时间变化的温度分布的计算,即温度解析;

B)在变化的温度场下地位移在变化的温度场下地位移、应变和应力的计算应变和应力的计算,即应力解析即应力解析。

焊接数值模拟主要包括固有应变法和热弹塑性有限元法。

3.1 固有应变法

固有应变可看成焊接残余应力之源所谓固有应变可以看成焊接残余应力之源,物体处于即无外力又无内力的状态下作为基准态,固有应变表征从应力状态切离后处于自由状态时,与基准态相比所发生的应变。焊接时,固有应变包括塑性应变、温度应变和相变应变。焊接结构经过一次热循环后,温度应变为零,则固有应变是塑性应变和相变应变的残余量之和。

若已知给定焊焊接过程的固有有应变,使用线弹弹性有有限元代替替热弹弹塑性有限元求解焊接残余应力和焊接变形,这就大大缩短了计算时间。

核心要求:

要用固有应变法计算复杂结构的残余变形,需要建立一个庞大的固有应变数据库。这个数据库是建立在这个数据库是建立在热弹塑性有限元分析和实验以及长期的经验积累的基础上的。

基于固有应变理论预测焊接变形:

建立理想条件下船体焊接接头固有应变数据库;
建立有限元模型;
以基于固有应变有限元焊接专用软件WSDP为基础,利用建立的固有应

变数据库,直接对船体有限元模型的焊接进行计算.

对于不同的结构要利用WSDP软件进行焊接变形预测计算软件进行焊接变形预测计算。

注:必须先要建立固有应变数据库;

对于典型焊接接头的焊接,可通过热弹塑性有限元法进行计算;
除此之外,可利用其他行业的经验,如机车行业,用WSDP软件对焊接变形进行分析,得出其焊接变形量。再根据生产工艺条件和实际生产过程中积累的大量经验数据对固有应变基础数据库进行修正;通过计算得到的数据和实际生产中的的数据进行对比,修正固有应变数据库。

固有应变预测焊接变形流程

3.2 基于热弹塑性理论的焊接预测法

跟踪整个焊接过程,以给定的时间步长,计算出每一时刻焊接温度场,以及计算出每个时间段由于温度变化引起的应力应变增量,逐步累逐步叠加,最终得到的则为残余应力与变形。

优点:

综合考虑焊接过程的几何非线性、材料非线性和状态非线性,考虑显微组织转变与液固相转变对热力过程的影响,研究移动热源作用下的瞬态温度场、热应力场与变形场。

局限性:

由于焊接热弹塑性有限元计算过程是个典型的非线性过程,矩阵方程奇异性大,使得收敛困难使得收敛困难,需要经过多次迭代才能达到必要的收敛精度;
同时采用热弹塑性有限元法需要跟踪整个焊接及冷却过程,这使得热弹塑性有限元分析计算量非常庞大,长期以来该方法仅长期以来该方法仅适用于一般焊接接头的力学行为分析,很少用于大型复杂结构的焊接变形研究。

需求:

要做到精确分析焊接变形,仍然需要大力开展热弹塑性有限元的理论基础和实际应用研究,特别是在单元技术的开发、网格划分技术(动态可逆的自适应网格技术)、多道焊组合处理、多台计算机并行计算、相似理论等方面的研究,以提高热弹塑性有限元分析的计算速度和计算精度。(对软硬件提出要求)

焊接残余应力

焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力,焊接完成后残留在焊件结构件内部的焊接应力之为焊接残余应力。

焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分,有如下2种情况: