基于ANSYS的平板焊接热-结构耦合场数值模拟

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本案例采用ANSYS软件对平板焊接过程进行了数值模拟分析，通过APDL语言编写程序，建立平板对接有限元模型，利用体生热率热源模型和“生死单元”法动态模拟了焊缝金属的熔覆过程，最后对焊接过程的温度-应力耦合场进行了模拟。

想学习焊接技术仿真的朋友建议按照文中的一些方法，搜索基本的设置进行学习。

1 焊接数值模拟过程介绍

1.1 物理场的选择

焊接模拟以弹塑性理论和有限元思想为基础，因同时涉及温度和位移（应力应变）变化，应考虑多场耦合。目前自然界中存在位移（力）场、热场、流场和电磁场四大物理场，实际物理问题通常是单场或者是多场的耦合，在进行焊接模拟时，涉及到温度和应力的相互作用，应进行热-结构耦合场分析。

在利用ANSYS进行热-结构耦合场计算时，通常有两种思路：一是直接耦合法，同时计算焊接过程的温度和应力数值，直接得到二者的结果，该方法适用于耦合场之间具有高度非线性的相互作用的情形，但计算过程耗时较长，计算结果容易不收敛；二是间接耦合法，先得到有限元网格模型中各节点的温度场分布，再以节点温度数据为载荷输入进行热应力计算，该方法更灵活简捷，计算耗时短且结果易收敛。本案例采用间接的热-结构耦合方法进行研究。

1.2 有限元模型建立和网格划分

在ANSYS软件中建立平板三维实体几何模型，如图1所示，设置模型长度为160mm，宽度为120mm，厚度为3.5mm，因为平板厚度较薄，一次焊接过程即可完全填充焊缝空间，因此焊缝选择Y型坡口，坡口角度为60°。模型由左侧平板、右侧平板和焊缝三部分构成，焊缝分体式建模便于后续选取等操作。母材和焊缝材料均为镁合金，为使仿真结果更贴近实际，考虑金属熔化时的相变潜热。

三维有限元模型采用六面体网格划分，如图2所示，焊缝区网格已进行细化，网格细度均匀，便于后续焊缝单元的节点选取和热源加载等操作。网格单元选用热-结构耦合单元solid70，该单元属于六面体、8节点的三维实体单元，适用于静态或瞬态热分析，且计算应力场时可以转换为等效的结构单元solid185。此外，采用“生死单元”法模拟焊接材料的填充及熔覆过程，单元的生、死刚好对应焊缝材料的删除和加入，焊接开始前，将焊缝处的网格杀死，随着焊接过程中热源的移动，被杀死的网格不断生成。

1.3热源加载与初始边界条件设置

案例采用焊接方法为电弧焊，热源模型采用体生热率热源，将热源模型以体载荷的方式加载在模型的网格单元上。

为保证焊接模拟顺利进行，需对焊接过程进行前提假设：

1）假设工件表面光滑平整，无毛刺，尺寸满足实际需要；

2）假设工件周围环境温度恒定；

3）假设焊接设备能持续输出恒定功率；

4）假设焊接过程连续，没有中断操作；

5）焊接开始前不进行预热。对模型设置环境温度为25℃的初始边界条件。

基于热传导理论，考虑整个系统表面与空气进行对流换热，对整个模型施加对流换热系数，系数大小为1.2×10-2，如图3所示。

1.4稳态分析与瞬态分析

焊接模拟是一个非线性的瞬态分析过程，为使整个系统设置初始状态，进行瞬态分析前，需先进行一次稳态分析，让各节点具有初始温度。对整个平板系统进行短时0.001s的稳态分析，结果如图4所示，可见平板已处于25 ℃的初始温度场。焊接过程包括加热和冷却两个部分，共分为26步：第1步为稳态分析，确定模型的初始条件；第2步到21步为焊接瞬态过程，每步1.6s，共历时32s；第22步到26步为冷却过程，每步400s，一共冷却2000s。

瞬态分析时，热源移动通过APDL语言编写命令流，将整个焊缝长度平均分为20段，也就是整个焊接过程分为20个载荷步，每段为一个载荷步，每段的焊接时间为1.6 s，段数n的取值决定时间步长。从第一段开始逐段进行加载计算，然后把前一步得到的温度分布作为后一步的初始温度分布，依次对每一步进行加载计算，最终得到整个焊接过程的温度场计算结果。

2温度场分析

焊接开始和结束时刻，即求解时间为1.6s和32s时，温度场分布云图分别如图5、图6所示。从图中可以看到，焊接刚开始时，最高温度为1085.83℃，此时，热源刚加载作用于模型焊缝区域，热源中心温度已高于材料熔点，说明该焊接工艺条件可以满足起始焊接熔合的需求。焊接刚结束时，最高温度为1366.26℃，略大于焊接开始时温度，这是由于焊接一定时间后，热量的持续输入，模型温度逐步升高，在恒定的焊接功率下，材料积聚的热量越来越多而造成的。当构件冷却400s和2000s时的温度场云图分别如图7、图8所示，当构件冷却400s时，最高温度为162.07℃，此时尚未接近常温，需要继续进行冷却计算。结构冷却2000s后，最高温度已经降低到28.27℃，接近周围环境温度，材料晶相组织在该温度下不再发生相变，因此可以进行残余应力计算。

在焊缝上表面沿焊缝方向选取节点路径为path1，从焊接开始至结束方向依次选取9个节点，观察各节点温度随时间变化情况，在ANSYS软件时间历程后处理器中得到对应曲线，如图9所示。从图中可以看到，各节点初始温度为25℃，当焊接热源逐步移动到达各节点时，各节点处温度迅速升高，最高温度为1050℃左右，然后随着热源远离各节点，节点温度逐渐降低，当冷却2000s后，最终各节点温度恢复并接近至室温25℃左右，说明该温度随时间变化规律与实际焊接过程相符合。

3残余应力分析

由于采用间接法进行热-结构耦合场分析，利用ANSYS软件的间接耦合单元自动转换功能，由温度场转为应力场。在进行热应力计算前，应力场边界条件设置为对左右两块平板底面施加固定位移约束，然后将热分析过程中每一个载荷步的温度场结果作为输入进行加载，进行残余应力的计算。

构件冷却至室温后的应力场云图如图10所示，von Miss残余应力最大值为136MPa，其分布主要集中在焊缝开始和结束处的局部区域。这是由于焊接熔池凝固过程中，焊缝及临近区域产生较大的热梯度，受热膨胀系数的影响，材料内部晶体结构之间互相拉压产生塑性变形成了最终的残余应力。分别做出路径1（沿焊缝方向）和路径2（水平垂直于焊缝方向）上节点的残余应力分布曲线，分别如图12、图14所示，可以看到路径1上各节点中，两侧平板边缘节点残余应力最大，其余中间节点趋于一致；路径2上各节点残余应力沿焊缝对称分布，从中间向两端逐渐减小，平板左右两边缘处最小。