应用 | ANSYS软件在焊接领域的应用

2017-03-10 by:CAE仿真在线来源:互联网

焊接工艺方法

电弧焊

电弧焊是目前应用最广泛的焊接方法。它包括有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极气体保护电弧焊、等离子弧焊、熔化极气体保护焊等。绝大部分电弧焊是以电极与工作之间燃烧的电弧作为热源的。在形成接头时,可以采用也可以不采用填充金属。

电阻焊

这是以电阻热为能源的一类焊接方法,包括以熔渣电阻热为能源的电渣焊和以固体电阻热为能源的电阻焊。

高能束焊

这一类焊接方法包括电子束焊和激光焊。

钎焊

钎焊的能源可以是化学反应热,也可以是间接热能。它是利用熔点比被焊材料的熔点低的金属作钎料。经过加热使钎料熔化,靠毛细管作用将钎料吸入到接头接触面的间隙内,润湿被焊金属表面,使液相与固相之间相互扩散而形成钎焊接头。因此,钎焊是一种固相兼液相的焊接方法。

摩擦焊

磨擦焊是以机械能为能源的固相焊接。它是利用两表面间的机械磨擦所产生的热来实现金属的连接的。

焊缝构型

焊接工程考虑

变形

主要是控制并使变形最小。通过优化装配工艺,降低制造成本,降低缝隙闭合力,减小夹具力的偏差。带来的主要好处是改善服役特性,减小缝隙闭合力,降低由于夹具力的偏差。

焊接质量

主要是提高焊接质量,优化服役特性。主要通过下面两个方面来进行控制。

控制冷却速率,微观组织,硬度和微观组织对整体材料和结构特性的影响
控制氢的扩散

对再结晶钢,需要控制最大和最小冷却速率,过高的冷却速率导致过多的马氏体;过低的冷却速率导致晶粒粗糙。过高的硬度可能导致裂纹和服役失效。

应力:主要是两个方面的工作。

控制围绕连接处局部的残余应力
控制所设计的焊接结构整体应力

进行应力控制有助于

减重;增强焊接结构疲劳性能;改善焊接质量;减少昂贵的服务问题。例如能源和核工业中多道焊接的残余应力。目标避免裂纹和失效,控制残余应力,微观组织,硬度,预热和焊丝材料。

温度控制

控制易损敏感设备的温度场,避免由于焊接热效应导致设备的实效。

估计残余变形

装配结构要求有顺序的进行连续焊和/或点焊。因此, 确定焊接顺序和焊接位置是正确完成焊接组装工艺的关键。数值模拟使得工程师可以预测变形并且使之最小化,进一步提高了产品的整体质量以及显著的节省了成本。

最小化残余应力:进行焊接模拟的目的是控制生产过程,最大限度地减少应力梯度和表面张力,减少负荷循环中产生的裂缝,所以产品的寿命得到了延长。使用数值模拟同样可以检测到零件表面的压应力,因此避免由于拉伸应力造成的腐蚀风险,从而提高了产品的质量。

研究几何形状、材料和工艺参数的敏感性

用于设计阶段,ANSYS工艺过程模拟能够减少代价高昂的设计错误。在产品研发周期的每个步骤,用于修正错误的成本正在逐渐增加。全新设计周期中的早期阶段辅助优化零件几何形状、材料和工艺参数,避免了后来可能发生的昂贵的工程变更。

优化焊接工艺过程

允许使用速度、能量输入等等多种用户自定义的焊接顺序和焊接工艺参数。

定性评估焊缝强度

在得到焊缝处残余应力的定性值后,进行整体结构工作状况下的应力计算,从而得到焊缝处承受的整体应力水平。

焊缝疲劳评估

焊缝的寿命评估,耐久性计算。可考虑完成工艺过程后残余应力的影响。

焊缝缺陷情况下的裂纹扩展

利用初始缺陷下的裂纹,通过断裂力学计算工作情况下的裂纹扩展以及对应的寿命。

优化产品

结合焊接工艺考虑整体产品的优化。

ANSYS焊接模拟技术和流程

利用ANSYS生死单元技术既可模拟焊接过程中的堆焊部分,分别加载能量进行温度场计算达到模拟焊接的整个过程。

生死单元的定义

单元生死允许用户在分析过程中(重新)激活或杀死特定的单元。在载荷历程的后期可以“生”单元,这意味着在分析中单元最初被杀死, 但后来被重新激活。在载荷历程中单元能被“杀死”,这意味着单元停止提供任何显著的结构响应。建模时, 确保进行求解前生成所有单元。

外加载荷

对于杀死的单元, 单元载荷矢量(压力、温度)自动置零。质量被置零, 所以加速度载荷也不影响杀死的单元。集中节点力不能自动从杀死单元的自由度中删除,用户必须手动删除杀死节点的集中载荷。类似地, 当单元重新激活时, 这些节点载荷必须重新施加。对于重新激活单元,所有单元和惯性载荷(压力、温度和加速度)被恢复,节点力, 如上所述, 不受单元生死的影响。

约束施加

当杀死单元被重新激活时, 若想保持单元的形状,则约束杀死单元的节点可能是重要的,重新激活单元时,务必删除这些人为的约束。不与任何单元连接的节点会“漂移”,有些情况下, 可能想约束杀死的自由度, 以减少要求解的方程数目或避免病态(前已述及缩减系数ESTIF 在刚度矩阵中产生较小量, 可能引起病态)。注意约束方程(CE or CEINTF) 不能用于杀死的自由度。

求解选项

指定大位移求解(NLGEOM,ON),否则, 一些单元类型将在它们原始指定的几何构形中被重新激活(即应该包括大变形效应以获得有意义的结果)。对所有的生死应用, 因为在后面的载荷步中程序不能预测EKILL 命令的存在, 所以若不存在其它非线性, 则务必在第一个载荷步明确设置Newton-Raphson选项。LSWRITE和LSSOLVE 命令不能用于生死选项,需要使用一系列明确的SOLVE 命令来进行多载荷步求解。自适应下降可以用于单元生死, 且通常提供好的结果。通过杀死然后重新激活单元可模拟应力释放操作(如退火)。

后处理

对大多数生死单元分析的后处理遵循标准的程序。认识到“杀死的”单元仍存在于模型中, 并将包括在单元显示、输出列表中, 等等。使用选择逻辑从单元显示和其它后处理操作中删除杀死的单元。后处理时,若杀死的单元不是未选择的, 它们将显示零应力、应变和位移。当使用节点等值图时, 这可能会产生“污染的”结果(单元等值图不污染结果)。