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2017-04-21 by:CAE仿真在线 来源:互联网
ANSYS的生死单元模拟焊接过程
1 概述
焊接模拟计算在CAE仿真是比较大的一块内容,也是比较复杂的一个过程,几个比较关键的问题是热源函数的描述、单元的融覆、热源的移动等等,通过单纯的GUI操作,无论使ANSYS还是Abaqus都不大可能完成这个过程,通常需要借助软件的内置语言。
本次主要介绍单元生死的应用,单元生死主要用于单元缺失的场合,比如凝固溶解过程,断裂过程,焊接过程等等,这些过程都是非线性或者时间历程过程,计算需要很多子步和迭代,为了在此过程中避免一遍一遍修改单元,便引入生死单元的概念,通俗的讲就是通过一些方法让单元失效,具体的改变是单元的弹性模量的改变,当单元死时,修改其弹性模量为非常小的值,让其在求解过程中不起作用。
详细地说,激活单元死这个状态时,ANSYS程序将单元刚度矩阵乘以很小的因子,程序默认值为1E-6,死单元的单元载荷为0,从而不对载荷向量生效,同样的,死单元的质量、阻尼、比热等等参数也设置为0,单元的应力应变也因此为0。
2 前处理
前处理包括单元定义、材料定义和建模,单元定义是需要注意单元属性,此次定义13号二维耦合单元,具有温度和位移自由度。
材料属性包括结构参数和热参数,具体包含弹性模量,泊松比,屈服强度,塑性属性,材料密度,热膨胀系数,热传导系数,比热容。焊接时温度较高,定义材料通常需要定义多个温度下的值。例如定义各材料在各温度点下的屈服应力和屈服后的弹性模量:
tb,bkin,1,5
tbtemp,20,1
tbdata,1,1200e6,0.193e11
tbtemp,500,2
tbdata,1, 933e6,0.150e11
tbtemp,1000,3
tbdata,1, 435e6,0.070e11
tbtemp,1500,4
tbdata,1, 70e6,0.010e11
tbtemp,2000,5
tbdata,1, 7e6,0.001e11
建立的二维模型如图1所示,中间三角区域为焊接区域。
划分网格后如图2所示:
3 单元排序
焊接区域的单元排序是一个必要的过程,只有将单元按照坐标顺序排列好,激活才好控制。
由于焊接时单元是从底部一层一层铺,因此需要将三角区域的单元按照Y坐标排序。单元的坐标是其形心处的坐标,如果一层的单元Y坐标一致,则将这一层再按照X坐标排序。
排序用ANSYS的APDL实现,通过Do循环一遍一遍的遍历单元。
其主要流程如图3所示:
在进行这个过程之前,需要先选出焊接区域的所有单元,之后:
*get,nse,elem,,count !焊接区域单元数目nse
*dim,ne,,nse !定义数组,存储单元编号
*dim,nex,,nse !定义数组,存储坐标x
*dim,ney,,nse !定义数组,存储坐标y
*dim,neorder,,nse !定义数组,存储按照坐标排序的单元标号
mine=0
!**************************************************************
*do,i1,1,nse
esel,u,elem,,mine !提出排序了的单元
*get,nse1,elem,,count !得到剩下的单元数目nse1
ii=0
*do,i,1,emax
*if,esel(i),eq,1,then !表示单元是否被选中
ii=ii+1
ne(ii)=i
*endif
*enddo !此段循环用于得到剩下的单元的编号
*do,i,1,nse1
*get,ney(i),elem,ne(i),cent,y
*get,nex(i),elem,ne(i),cent,x
*enddo !此段循环得到剩下单元的坐标
miny=1e20
minx=1e20 !定义辅助常数,用于比较
*do,i,1,nse1
*if,ney(i),lt,miny,then
miny=ney(i)
minx=nex(i)
mine=ne(i)
*else
*if,ney(i),eq,miny,then
*if,nex(i),lt,minx,then
miny=ney(i)
minx=nex(i)
mine=ne(i)
*endif
*endif
*endif
*enddo !此段循环用于将剩下的单元经过坐标比较,找到Y最小(X最小的单元编号)
neorder(i1)=mine !得到这个编号的单元并存储
*enddo
注意循环的时候会有图4的这个警告,这个没有关系,因为第一步剔除单元操作时实际并没有剔除成功,因为第一步循环时mine=0。
4 加载求解
温度载荷,结构约束,无需多说。
焊接一个单元的时间假设为5s,起始时间为0,通过得到的单元数可以知道整个历程的时间。
求解之前先将所有焊接区域的单元杀死,通过循环遍历实现,命令是ekill,每次杀死一个单元:
*do,i,1,nse
ekill,neorder(i)
esel,s,live
eplot
*enddo
杀死后单元如图5所示:
求解过程的APDL为:
*do,i,1,nse
ealive,neorder(i)
esel,s,live
eplot
esel,all
!******下面的求解用于建立温度的初始条件******
t=t+dt1
time,t
nsubst,1
*do,j,1,4
d,nelem(neorder(i),j),temp,max_tem
*enddo
solve
!****下面的求解用于保证初始的升温速度为零****
t=t+dt1
time,t
solve
!*********下面的步骤用于求解温度分布**********
*do,j,1,4
ddele,nelem(neorder(i),j),temp
*enddo
t=t+dt-2*dt1
time,t
nsubst,nsub1
solve
*enddo
t=t+50000
求解完之后,继续求解冷却过程,冷却过程只需给一个时间就行。
5 计算结果
最后的应力分布如图6,因为在左端施加位移约束,最后由于焊接变形,右边发生翘曲。
图6 Mises应力
不同时刻的应力云图:
文中未就跟多细节一一展开,而是将主要问题和注意的地方提了出来。
注:文章来源http://www.jishulink.com/content/post/296449
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