基于ANSYS的某焊接件两焊缝在顺序焊接过程中的分析（生死单元应用案例）
本文摘要（由AI生成）：
本文介绍了在仿真分析过程中使用ANSYS软件的单元生死技术。该技术允许在模型中加入或删除实体，通过杀死或重新激活选择的单元来模拟实际情况。文章详细描述了单元生死在焊接分析、材料断料分析、隧道挖掘和桥梁建立等领域的应用，并解释了单元生死的实现原理。此外，文章还提到了ANSYS 19.0版本在Workbench界面下新增的网格生死功能，为用户提供了更便捷的操作方式。通过本文，读者可以了解到单元生死技术在仿真分析中的重要性及其应用方法。
焊接几何模型如下图所示，左右两侧90度扇区为焊接材料，其余为钢板材料。其他更多已知条件请参考命令流，这里不再赘述。
网格单元
本实例中顺序焊接分为如下步骤：
第一步0-1秒：右侧焊接稳态分析（杀死左焊缝，施加右焊缝温度和焊接件参考温度）
第二步1-100秒：相变分析（删除温度载荷，施加对流热传导）
第三步100-1000秒：右侧焊缝凝固分析
第四步1000-1001秒：激活左侧焊缝单元进行稳态分析（施加左焊缝温度）
第五步1001-1100秒：左焊缝相变分析
第六步1100-2000秒：左侧焊缝凝固分析
第七步：结果后处理
ANSYS GUI操作演示视频：
视频来自网络。建议电脑观看，体验更佳。
视频地址：https://v.qq.com/x/page/v0747wjtt6u.html
ANSYS命令流：
FINISH
/FILNAME,Exercise ! 定义隐式热分析文件名
/PREP7 ! 进入前处理器
ET,1,SOLID70 ! 选择8节点实体热分析单元
MP,KXX,1,.5e-3
MP,C,1,.2
MP,DENS,1,.2833
MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000
MPDATA,ENTH,1,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 ! 定义右焊缝材料热物理性能
MP,KXX,2,.5e-3
MP,C,2,.2
MP,DENS,2,.2833
MP,KXX,3,0.5e-3 ! 定义两块钢板的热物理性能
MP,C,3,.2
MP,DENS,3,.2833
MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000
MPDATA,ENTH,3,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 ! 定义左焊缝材料热物理性能
BLOCK,-0.17,0.17,0,0.34,0,1.2
BLOCK,0.17,0.34,0,0.34,0,1.2
BLOCK,0.34,1,0,0.34,0,1.2
BLOCK,-0.17,0.17,0.34,0.51,0,1.2
BLOCK,-0.17,0.17,0.51,1.34,0,1.2
WPAVE,0.17,0.34,0
CYLIND,0.17,0,0,1.2,0,90
WPAVE,0,0,0
CSYS,0
FLST,3,3,6,ORDE,3
FITEM,3,2
FITEM,3,-3
FITEM,3,6
VSYMM,X,P51X, , , ,0,0 ! 建立焊接件的几何模型
VGLUE,ALL ! 粘接各体
VSEL,S,,,10
VATT,1,1,1 ! 附于右焊缝的材料属性
VSEL,S,,,1
VSEL,A,,,12,17,1
VATT,2,1,1 ! 附于两块钢板的材料属性
VSEL,S,,,11
VATT,3,1,1 ! 附于左焊缝的材料属性
ALLSEL,ALL
ESIZE,0.05 ! 定义单元划分尺寸
VSWEEP,ALL ! 划分单元
ESEL,S,MAT,,3
TOFFST,460 ! 定义温度偏移量
!第一步：稳态分析
EKILL,ALL ! 杀死左焊缝单元
ALLSEL,ALL
/SOLU
ANTYPE,TRANS ! 定义瞬态分析类型
TIMINT,OFF ! 关闭时间积分
ESEL,S,MAT,,1
NSLE ! 选择右焊缝节点
D,ALL,TEMP,3000 ! 施加右焊缝初始温度载荷
NSEL,INVE ! 选择其它节点
D,ALL,TEMP,70 ! 施加初始温度载荷
TIME,1 ! 定义求解时间
KBC,0 ! 设置为斜坡载荷
ALLSEL,ALL
SOLVE ! 求解
!第二步：右侧焊缝相变分析（1到100秒)
DDELE,ALL,TEMP ! 删除温度载荷
TIMINT,ON ! 打开时间积分
TINTP,,,,1 ! 定义瞬态积分参数
TIME,100 ! 定义求解时间
DELTIME,1,.5,10 ! 定义时间子步
AUTOTS,ON ! 打开自动时间开关
KBC,1 ! 设置为阶越载荷
OUTRES,ERASE
OUTRES,ALL,ALL ! 设置结果输出
ASEL,S,EXT
ASEL,U,LOC,Y,0
SFA,ALL,,CONV,5E-5,70 ! 施加对流换热载荷
ALLSEL,ALL
SOLVE ! 求解
!第三步：右侧焊缝凝固分析（100到1000秒)
TIME,1000 ! 定义求解时间
DELTIME,50,10,100 ! 定义时间子步
AUTOTS,ON ! 打开自动时间开关
SOLVE ! 求解
!第四步：激活左侧焊缝单元进行分析（1000到1001秒)
EALIVE,ALL ! 激活左侧焊缝单元
ALLSEL,all
ESEL,S,MAT,,3
NSLE ! 选择左焊缝节点
D,ALL,TEMP,3000 ! 施加左焊缝初始温度载荷
TIME,1001 ! 定义求解时间
DELTIME,1,1,1 ! 定义时间子步
ALLSEL,ALL
SOLVE ! 求解
!第五步：左侧焊缝相变分析（1001到1100秒)
DDELE,ALL,TEMP ! 删除温度载荷
TIME,1100 ! 定义求解时间
DELTIME,1,.5,10 ! 定义时间子步
SOLVE ! 求解
!第六步：左侧焊缝凝固分析（1100到2000秒)
TIME,2000 ! 定义求解时间
DELTIME,100,10,200 ! 定义时间子步
SOLVE ! 求解
!第七步：后处理
/POST1 ! 进入通用后处理器
SET,,,,,1, , ! 读取1秒中分析结果
PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示1秒钟后焊接件的温度分布
SET,,,,,100, , ! 读取100秒中分析结果
PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示100秒钟后焊接件的温度分布
SET,,,,,1000, , ! 读取1000秒中分析结果
PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示1000秒钟后焊接件的温度分布
SET,,,,,1001, , ! 读取1001秒中分析结果
PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示1001秒钟后焊接件的温度分布
SET,,,,,1100, , ! 读取1100秒中分析结果
PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示1100秒钟后焊接件的温度分布
SET,,,,,2000, , ! 读取1100秒中分析结果
PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示1100秒钟后焊接件的温度分布
/POST26 ! 进入时间历程后处理器
NSOL,2,4727,TEMP,, TEMP_2
STORE,MERGE
NSOL,3,4752,TEMP,,TEMP_3
STORE,MERGE
NSOL,4,4808,TEMP,,TEMP_4
STORE,MERGE
NSOL,5,4833,TEMP,,TEMP_5
STORE,MERGE
NSOL,6,4883,TEMP,,TEMP_6
STORE,MERGE
NSOL,7,4908,TEMP,,TEMP_7
STORE,MERGE
NSOL,8,5088,TEMP,,TEMP_8
STORE,MERGE
NSOL,9,5308,TEMP,, TEMP_9
STORE,MERGE ! 定义焊接件某些位置8个节点的时间温度变量
/AXLAB,X,TIME
/AXLAB,Y,TEMPERATURE ! 更改坐标轴标识
/XRANGE,0,2000 ! 设定横坐标轴范围
PLVAR,2,3,4,5,6,7,8,9, ! 绘制8节点温度随时间的变化曲线
温度结果显示
1秒时：
100秒时：
1000秒时：
1001秒时：
1100秒时：
2000秒时：
关键点温度变化曲线
关键点位置分布：
关键点与曲线对应情况：
NSOL,2,4727,TEMP,,TEMP_2
NSOL,3,4752,TEMP,,TEMP_3
NSOL,4,4808,TEMP,,TEMP_4
NSOL,5,4833,TEMP,,TEMP_5
NSOL,6,4883,TEMP,,TEMP_6
NSOL,7,4908,TEMP,,TEMP_7
NSOL,8,5088,TEMP,,TEMP_8
NSOL,9,5308,TEMP,,TEMP_9
关键点温度变化曲线：
从该图中可以明显看到：离焊接热影响区域距离较远的关键点温升较小，距离较近的关键点温升较大。
关于生死单元的简单介绍
在ansys计算过程中，如果需要向模型中加入（或删除）实体，模型中对应实体部位的单元就“存在”（或消亡）。单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激活选择的单元。例如，在焊接分析过程中，随着高温焊料的加入，坡口处的单元需要不断地被激活；在材料断料分析中，随着裂纹的延伸，断裂处的单元需要不断的被杀死；在隧道挖掘和桥梁建立分析中，材料也需要不断的被杀死或激活。因此，单元的生死应用技术广泛的存在于ansys仿真分析中，是一项应用非常广泛的技术。
单元的生死并不是ansys程序将杀死单元对应的实体从模型中删除，或者激活重新生成材料，而是通过将其刚度矩阵，或者传导矩阵（对应于不同的分析），乘以很小的因子（ESTIF），默认值为1E-6。死单元的单元载荷将为0，从而不对载荷向量生效，等效于将单元杀死；同样，当一个单元被重新激活时，其刚度，单元载荷等恢复其原始的数值，重新激活的单元也没有应变记录，在热分析里面没有热量存储。需要注意的是，生死单元对大部分单元可以应用，然而对某些单元却是不可用的。
在一些情况下，单元生死状态可以根据ansys的计算结果决定。如在断裂分析中，我们需要将应力值大于材料屈服强度的单元杀死，可以利用Etable选择相应的单元进行杀死，继而返回到求解器进行求解，如果如此循环，则可观察到裂纹的生长过程。
可以在大多数静态和非线性瞬态分析中使用单元生死，其基本分析与相应的分析过程是一致的，主要包括三个步骤：建模，施加载荷并求解，查看结果。
今年随着ANSYS19.0的推出，也带来了一个好消息：ANSYS V19.0在Workbench界面下新增了网格生死功能。以往我们只能在经典界面下进行网格生死操作，或者在Workbench界面下借助APDL来实现网格生死，这种操作既不方便又容易出错。V19.0以后的版本用户可以通过简单的菜单操作在WB界面下实现网格生死功能。
视频来自南京安世亚太
