专题文章2.在Marc和abaqus中进行激光焊接仿真的模拟
本文摘要（由AI生成）：
本文探讨了焊接仿真中不同热源模型的应用，特别是双椭球热源和激光焊接中的复合热源模型。文章概述了焊接仿真的发展历程，介绍了从传统的双椭球热源到现代激光焊接中多种热源模型的选择。同时，文章还对比了国际上常用的焊接仿真工具，如MSC.marc、abaqus等，并探讨了它们各自的特点和应用范围。在详细阐述了在Marc和abaqus软件中实现复合热源模型焊接仿真的过程中，文章强调了热源施加的重要性和方法。最后，文章总结了焊接仿真的关键步骤和注意事项，特别强调了热源校核的必要性。通过本文的介绍，读者可以更深入地了解焊接仿真的技术细节和应用实践，为工程应用提供有益的参考。
焊接是门古老的工艺，早在公元前3000多年埃及出现了锻焊技术，公元前2000多年中国的殷朝采用铸焊制造兵器，公元前200年前，中国已经掌握了青铜的钎焊及铁器的锻焊工艺。近代的焊接工艺开始于19世纪末，先后由法国，美国等人发明了各种焊机。大约1912年，美国福特汽车公司为了生产著名的T型汽车，在自己工厂的实验室里完成了现代焊接工艺。后各个国家的科研工作者及公司陆续发展各种各样的焊接技术，如激光焊，摩擦焊，电阻焊，搅拌摩擦焊等，丰富了焊接工艺，并使焊接工艺得到了更加广泛的应用，现在的汽车的白车身生产，自动化的焊接线已经成为标配。
图1 古代铸焊示意图
图2 白车身焊接生产线
焊接仿真技术的发展，受限于计算机硬件的发展，在20世纪30年代，才由前苏联的雷卡林，系统的研究了焊接传热问题，建立焊接传热学的理论基础，将焊接热源简化为点、线、面热源进行仿真。之后的焊接仿真发展日新月异，其中作为焊接仿真中应用最广的双椭球热源，是在1984年由加拿大学者Goldak提出的。为了解决大构件的焊接变形快速仿真，1989年日本学者Ueda等提出了固有应变概念，该方法通过对固有应变进行计算，然后将其施加在焊缝进行一次弹性有限元分析，经过计算机的求解就能得到整体构建的焊接变形。发展到现在，已经有很多的软件可以实现三维的焊接仿真了。
对于激光焊接来说，其本质与普通的弧焊并没有太大的区别，比较不同的焊接热源的选择。普通的焊接一般选择Goldak的双椭球热源就可以了，但是激光焊接由于激光的种类，功率，焊接表面情况的原因，热源模型选择差异性比较大。目前以4种热源模型比较常见，分别是：
ü 圆锥体热源模型
ü 高斯旋转体热源
ü “高斯面+圆锥体”复合热源模型
ü “高斯面+圆柱体”复合热源模型
本次仿真所讨论的是高斯面+圆柱体的复合热源模型，模型示意图和函数表达式如下图：
图3 热源模型和函数表达式
在这里列举些常见的焊接仿真工具：
MSC.marc, abaqus , ansys , sysweld , simufact.welding , fluent , ......
以上列举的是国际上比较常用的软件，国内也有些公司开发了相关的软件，但由于种种原因，应用范围较小，技术也与现有软件存在不小的差距，生存现状堪忧，希望他们能够继续发展，这里不做讨论研究。对于列举的软件，各有特点，很难说谁的好谁的坏，在焊接仿真的准确度上也是一样，各有特点。本文涉及到的两个软件MARC和abaqus也是一样，各有特点。
对于MARC，曾经一款很牛的软件，现在几乎变成小众软件了，只有哈工大，南航等学校已经商飞等有限几个公司在使用，这几年marc的日子不太好过，先后随着主人msc被转手多次，现在被海克斯康收购，在发展的道路上起起伏伏。用的不多的原因还包括现在的教材较少，有限的几个教材还是基于老版本编写的，使用起来很不方便。但这些都是外表，对于焊接仿真而言，marc还是很不错的，有着自己的焊接模块，对于普通的焊接分析来说，用起来非常方便，另外该软件在求解的收敛性上也非常不错。
图4 Marc 界面
图5 焊接模块与焊接子程序
虽然Marc中有图5中的焊接模块，但是复合热源模型需要使用子程序来实现。推荐的子程序组合：marc2019+visualstudio2017+IntelParallelStudioXE2019。在子程序的选择上，可以用Uflux或Uweldflux。本文使用的是Uflux。
图6 Marc中Flux焊接子程序
在子程序中，核心是对热源的施加，marc中采取的方法是通过对边界条件名称的判断来选择不同的热源模型。最终的焊接云图如图7所示：
图7 Marc中焊接云图
Abaqus软件，和marc软件有着很深的渊源，其创立者之一是MARC创立者Pedro Marcal的学生。因此几乎marc能实现的功能abaqus都可以实现，反之亦然。但是abaqus的发展要比marc好点，在2005年被达索收购后，达索在前后处理方面给与了abaqus很大的增强，并且在软件推广等方面做了很大的贡献，目前市面上abaqus的教材非常的多，非常有助于abaqus的学习。
图8 abaqus界面及热源施加
图8是abaqus的界面及热源施加。由于abaqus中没有单独的焊接模块，所以热源的施加只有一种方式，就是以子程序的方式。无论是双椭球热源还是本文的焊接复合热源。
图9 abaqus中Flux焊接子程序
在子程序中，核心是对热源的施加，abaqus中采取的方法是通过对JLTYP的定义的判断来选择不同的热源模型。最终的焊接云图如图10所示：
图10 abaqus 中焊接云图
做个总结：无论使用marc还是abaqus，都是可以的，尤其是复合热源这种需要使用子程序的，差异几乎可以忽略。对于焊接的准确度问题，两个软件的求解方法稍微区别，marc使用的是解耦算法，abaqus有两种，一种是顺序耦合一种是完全耦合，各有优缺点，读者需要结合自己的模型自行选择，但是有一个步骤必须要做，就是热源的校核。只要热源校核没问题，结果大多都是可以接受的。
对于两个软件的焊接仿真，我再仿真秀平台录制了两个专题课程，可以供大家学习。
