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新冠无情，仿真有“度”，论焊接有限元分析拟中的尺度与技术

仿真圈

4年前浏览8014

今天我们聊一聊焊接有限元的事情。在这之前，关于焊接本身，其实各个大学，各个教材说的都比较多了。通常意义上认为，在商周时代，焊接就开始了，不过那个时候可能更多的称为堆焊。

图1 焊接工艺

作为一种重要的成型或者连接工艺，伴随着科技的进步及需求的多样化，焊接已经深入到我们几乎所有的制造业之中了。在研究焊接的过程中，自然也就有了不同的视角问题。我们今天来简单的探讨下焊接的度。

这里的度指的是尺度问题。通常按照分析对象的大小，可以将研究目标分为纳观，微观，介观，宏观几个尺度。度之间的差异都是指数级的差别。

图2 仿真的不同尺度

如上图，在解决不同尺度的问题，所用的方法是不一样的。就像无法用牛顿力学解决光的波粒二象性一样，不同尺寸的问题需要用不同理论，不同的方法，直观点来说就是不同的软件去解决了。

一、焊接研究目标之晶粒生产

地球人都知道的事情，大多数焊接其实是一个金属先融化，再凝固的过程。这个过程必然伴随着晶粒生长。对晶粒的研究是焊接仿真领域一个重要的基础性研究分支，大多存在于各个高校的博士课题中。

图3 晶粒生长

针对于晶粒生长的模拟，大多使用元胞自动机进行。大型通用商软有限元一般很少涉及（否则没点难度怎么叫博士生课题）

二、焊接研究目标之熔池流动

焊接的另外一个研究目标注重对熔池流动场和温度场的研究，然后可以依此为基础，开展相关研究。如果后面确实想研究这方面的内容，武传松老师的一本教材必看《焊接热过程与熔池形态》

图4 笔者和武传松老师合影

图5 熔池流动

因此熔池的模拟是一个温度场和流场耦合的问题。解决这类问题，流体软件更加适合，比如fluent目前是常用的计算软件。

三、焊接研究目标之相变

焊接过程中的凝固过程和冶金过程类似。在金属冶金过程中的一个重要概念就是金属的相变，我们接触最多的就是Fe-C相图。

图6 Fe-C相图

由于不同的相机械性能有时候差距是很大的，因此对于焊缝及热影响区的相变分析也很有必要。此时的分析主要限于热固耦合的范围，很少会考虑流体的问题，所以只要能进行热固耦合的分析的软件基本都可以计算相变问题，如abaqus、ansys、marc、comsol等都可以。一些专业软件如sysyweld，simufact.welding之类的也可以。

四、焊接研究目标之焊接变形与应力分布

上面几个分析目标大多研究尺度偏小，一般用于理论研究，在真正的工程实际中，对焊接的研究大多在于焊接变形和应力分布。即一个复杂构建在经历焊接过程，释放夹具后的变形情况。

图7 底架焊接应力分布

这个过程中关注的重点不一样，所以分析的思路也稍有不同。此时对焊缝的晶体生长不考虑，对熔池的流动也不考虑，对相变一般也不考虑，但是可以选择性的考虑下相变潜热。经过对分析目标的简化，可以提升仿真计算速度，实现工程级别的应用。

这里面的技术细节主要包含

a.材料本构。要包含材料的热物理参数，即在不同温度的弹性模量，屈服强度、比热等参数
b.热源模型。根据不同的焊接种类选择不同的热源模型，一般弧焊采用双椭球热源模型
c.生死单元。生死单元完美的体现了焊枪没有经过的区域，焊缝是空的状态，焊枪经过的区域单元被激活
d.热机耦合。主要包含两种耦合方式，一个是完全耦合，一个是顺序耦合。区别是热机耦合是在一个增量步里面同时求解温度场和应力场，顺序耦合是先求解完成顺序场，后求解应力场。各有优缺点。

上述的技术细节可以给一个统一的名字，叫基于热弹塑性理论的焊接模拟仿真。

在实际的焊接仿真过程中，往往上面的方法不能满足工程实际需要，还需要一些加快计算的方法，不过或多或少会损失一部分精度，如大热源法，热循环曲线法，固有应变法，甚至在一些特殊的结构还可以考虑用二维的仿真来代替仿真。这次内容这次不做讨论了。

在热弹塑性的焊接仿真中，主要涉及热过程和力过程，因此只要能够进行热机耦合的软件基本都可以。

本次先推荐使用abaqus进行焊接仿真。为什么在众多软件中选择这么一个软件呢？以下是一些原因：

1.abaqus历史悠久，拥有强大的隐式和显式求解器，可以解决的问题非常多，上面提到的分析，除了晶粒生长和熔池流动，基本都可以使用abaqus进行仿真计算。并且在焊接��真分析后，还对焊接仿真结果可以方便的进行后续分析，可拓展性强
2.Abaqus支持丰富的接口，其中可以使用fortran编写子程序（移动热源子程序，换热系数子程序，材料子程序等）,使用python编写各种脚本，定义生死单元等。丰富的接口提供了大量插件的制作条件，也使得各个大神得到的一种展示技术的平台
3.相关学习资料较多，包含软件资源也比较多，便于学习和提高
4.由于abaqus具有非常好的人机交互界面，各个模块的设计也非常合理，非常有助于对有限元过程的理解，因此由abaqus转其他有限元软件的学习，会比较方便和快捷。
还有一些其他原因，不再详叙。

五、abaqus焊接仿真流程与实例

使用abaqus的热力耦合分析步可以很方便的进行焊接分析，这时候的焊接分析我们通常称他为完全耦合分析，是最接近真实焊接工况的模拟方法。主要的仿真流程如下图所示：

图8 完全耦合焊缝仿真流程

完成的焊接温度场如图所示