基于SYSWELD的自定义焊接接头的热源校核

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SYSWELD是由法国ESI公司开发的焊接数值模拟软件，通过热弹塑性有限元法可以完成焊接过程中温度场、应力场和组织场的计算。在焊接过程的数值模拟中，为了精确反映焊接过程中的温度场，通常需要对热源模型的参数进行反复调整，使其能够与实验获得的熔池形貌吻合良好，该过程即为热源校核。

在SYSWELD软件中提供有专业的热源调整模块Heat Input Fitting（HIF），其主要功能就是对热源参数进行调节。然而，在热源调整工具Heat Input Fitting中仅提供了几种常用的标准焊接接头，尽管在SYSWELD中支持自定义焊接接头的热源校核，但目前还很少有关于这方面的教程。本文以搭接接头为例，讨论如何在SYSWELD中完成自定义接头类型的热源校核。

1. 建立有限元模型

在SYSWELD的热源校核模块中，仅支持导入代表自定义接头截面的二维网格，随后在热源校核模块中通过拉伸或旋转得到完整的三维有限元模型。因此，本文首先在Hypermesh中建立搭接接头的二维有限元模型，如图1.1所示，需要注意的是二维网格只有位于XY平面才能被SYSWELD正常识别，并且目前SYSWELD只支持四边形网格的导入，因此在网格中不能出现三角形单元。

图1.1 搭接接头二维有限元模型

图1.1中上下两块平板厚度为4mm，黄色区域为焊缝材料，为了简化模型，假设两块平板相互接触的区域节点是相连的。

在Hypermesh中建立有限元模型后需要导出为SYSWELD支持的数据格式（*.ASC文件），一般可使用SYSWELD的Toolbox中提供的Hypermesh模板来完成模型的导出。如果没有导出模板，也可以导出为ESI公司研发的前处理软件Visual-mesh支持的格式，这里本文选择导出用于ABAQUS求解的inp文件。

1.1 网格组件（Group）设置

SYSWELD中所有针对单元或节点的操作都是在组件（Group）中完成的，组件可以看作是一组单元或节点的集合（类似于ABAQUS中的set）。在热源校核模块中，由于SYSWELD将通过自定义的二维网格拉伸获得焊接接头的三维模型，因此该二维网格中必须包含能够被SYSWELD识别的特定组件，分别有：

（1）组件TRAJECTORY 单元类型为0001且具有属性EXTRUDED的单个单元，用于定义焊接线的位置

（2）组件REFERENCE 单元类型为0001且具有属性EXTRUDED的单个单元，用于定义参考线

（3）组件FRONT 节点集合，用于HIF（Heat Input Fitting）计算

（4）HS_PLANE 单元类型为1002且具有属性EXTRUDED的单元，用于定义热源所在的平面

（5）C1_3D 单元类型为2004且具有属性EXTRUDED的单元，用于定义第一块焊接工件

（6）C2_3D单元类型为2004且具有属性EXTRUDED的单元，用于定义第二块焊接工件

（7）BEAD（可选）单元类型为2004且具有属性EXTRUDED的单元，用于定义焊缝模型

（8）SKIN 单元类型为1002且具有属性EXTRUDED，用于定义生成三维模型中的对流换热面所需要的单元

下面首先将Hypermesh生成的网格文件导入到Visual-mesh中。

在Hypermesh中，仅建立了代表焊接接头截面的二维网格，而用于定义焊接线（TRAJECTORY）和参考线（REFERENCE）的0维单元（单元类型为0001）只能在Visual-mesh中完成定义，此外还有用于对流换热的一维单元（单元类型为1002）也没有定义，因此首先通过二维单元的单元边创建一维单元。选择1D→Extractfrom 2D mesh，并框选所有的二维单元，即可在二维网格的外边界上生成一维单元，如图1.2中的红色边线所示。通过此方法得到的一维网格与二维网格的节点是完全重合（共用节点）的。

图1.2 生成一维网格

随后选择焊缝外边界中心和底部的节点，分别作为焊接线和参考线的作用位置，如图1.3所示。

图1.3 选择焊接线和参考线作用位置

随后点击Node→ Create 0D Elements at Nodes，在节点所在位置创建两个0维单元。此时除去二维网格所在的三个Part以外，系统默认创建了PART_4用于放置一维网格，PAR_5用于放置0维网格。

下面分别创建SYSWELD指定的组件。首先创建组件TRAJECTORY和组件REFERENCE。将除PART_5以外的Part全部隐藏，选择代表焊接线的0维单元（注意是单元，并非节点），点击鼠标右键，选择Tools→ Add to New Collector。此时模型树中将自动创建组件Collector_1，选择该组件点击鼠标右键，点击Edit并将其重命名为TRAJECTORY。使用相同的方法选择代表参考线的0维单元，并将该组件命名为REFERENCE。

随后，隐藏PART_4和PART_5，保留二维网格所在的Part，并选中所有节点，创建组件FRONT，如图1.4所示。

图1.4 选择二维网格所有节点

保留放置一维网格的PART_4，隐藏其他网格。选择位于焊缝外边界的一维网格，并创建组件HS_PLANE，如图1.5中的红色边线所示。

图1.5 选择一维单元

随后选择其余的一维单元，用于定义对流换热，创建组件SKIN。

隐藏PART_4和PART_5，分别选择上侧平板、上侧平板和焊缝所在的二维单元，创建组件C1_3D，C2_3D和BEAD，如图1.6所示。

图1.6 选择焊缝所在单元

此时模型树中共有8个部件。在模型树中选择放置一维单元的PART_4，右键选择Properties，在弹出的对话框中展开Contents一项，并选中其中的一项，可以看到该单元的单元类型（TYPE）为1002，如图1.7所示。

图1.7 一维单元的单元类型

根据SYSWELD对导入单元类型的要求，二维网格（四边形单元）的单元类型必须为2004，一维网格的单元类型必须为1002，0维单元的单元类型为0001。由于一维单元和0维单元都是通过Visual-mesh创建的，因此单元类型是符合要求的。但二维网格的单元类型此时显示为0，这是由于本文采用了ABAQUS求解使用的inp文件，导致Visual-mesh无法正确识别SYSWELD的单元类型号。如果通过SYSWELD的Hypermesh模板在Hypermesh中导出ASC文件，则Visual-mesh能够正常识别单元类型，但这并不影响我们通过Visual-mesh导出ASC文件。

点击File→ Export，为了让SYSWELD能够正常识别自定义的焊接接头截面，必须将该文件命名为DATA55.ASC。

用文本编辑器打开DATA55.ASC，找到以BEGIN_ELEMENTS开头的一行，如图1.8所示。

图1.8 单元类型号

图1.8中第一列数据代表单元号，第二列数据代表单元类型号，可见通过Visual-mesh导出的二维网格（四边形）默认的单元号即为2004，满足SYSWELD对单元类型的要求。图中最后四列数据分别代表构成该单元的四个节点。

除了对单元类型有要求外，SYSWELD还要求除节点集FRONT以外的组件必须具有属性EXTRUDED。目前，作者还未找到在Visual-mesh中为组件赋予属性的方法，目前只能通过ASC文件手动修改。

找到定义组件所在的数据行，分别在图1.9所示位置添加字符串EXTRUDED。

图1.9 定义单元属性

从图1.9中的第一行可以看出，该模型中共存在13个组件，在导出为ASC文件时，Visual-mesh已经自动为所有Part创建了组件。需要注意的是，图1.9中组件名后的1代表该组件为节点集，2代表该组件为单元集。组件TRAJECTORY和REFERENCE由于放置的是0维单元，因此为2。在创建组件时不能误选0维单元的节点，否则将无法被SYSWELD正确识别。

2. 热源校核

打开SYSWORLD，选择Application→Welding Advisor，选择Tools→ Heat Input Fitting打开热源校核模块。打开Material DB加载焊接材料库welding.mat，打开Functions DB加载热源函数bdfct.fct。在Geometry的2D中选择Custom，即自定义焊接接头截面，选择打开的文件类型为.ASC，并加载前面导出的DATA55.ASC文件，如图2.1所示。

图2.1 加载自定义焊接接头截面

在3D中将Extrusion option设置为Translation，即通过将二维截面拉伸生成三维网格。在Parameters中对三维网格的参数进行设置，本文设置如图2.2所示。

图2.2 三维网格参数设置

点击Save保存参数（这些参数将会存储在文件extru_tran.par中），随后点击Create mesh生成三维网格，生成的三维网格如图2.3所示。

图2.3 搭接接头三维网格

随后在Material中分别为C1_3D、C2_3D和BEAD组件设置材料属性，这里选择母材和焊缝的材料均为S255J2G3，如图2.4所示，这里的组件名与在Visual-mesh中设定的组件名是对应的。如果模型中不存在焊缝，则在Visual-mesh中也可以不创建BEAD组件，并在Material中不为BEAD赋予材料属性。

图2.4 赋予材料属性

在Process中对焊接热源进行定义，这里选择3D conical Gaussian，即三维高斯热源，其参数设置如图2.5所示。

图2.5 高斯热源参数设置

图2.5中，Q₀代表高斯热源最大的热流密度，re代表热源顶面的半径，ri代表热源底面的半径，ze代表顶面距离热源中心的距离，zi代表底面距离热源中心的距离。x0，y0，z0代表热源中心在焊接局部坐标系中的坐标位置，ay为焊枪绕焊接局部坐标系y轴旋转的角度，Power为总的功率。焊接局部坐标系是通过前面的焊接线和参考线来定义的，这里代表焊接线和参考线的节点的连线为局部坐标系的x轴，焊枪前进的方向定义为y轴，而z轴则通过右手定则得到。因此可知本例中的局部坐标系的定义如图2.6所示。