焊接仿真詳談【轉(zhuǎn)發(fā)】

2017-05-08 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

焊接是當(dāng)前各行各業(yè)常用的加工手段,焊接水平的高低在很大程度上決定了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率,特別是船舶行業(yè),而焊接變形又是焊接過(guò)程中最難控制的一環(huán)。

焊接變形的影響有:

焊接結(jié)構(gòu)形狀變異,尺寸精度下降;
承載能力降低;
在工作載荷作用下引起的附加彎矩和應(yīng)力集中作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效;
結(jié)構(gòu)疲勞降低。

焊接變形的預(yù)測(cè)方法:

1、經(jīng)驗(yàn)(試驗(yàn))法:

經(jīng)驗(yàn)(試驗(yàn))法是通過(guò)試驗(yàn)建立經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)曲線,用經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)曲線來(lái)估計(jì)焊縫的收縮量和角變形量。

局限性:

在一定條件下的試驗(yàn)或生產(chǎn)實(shí)際中得到的,一般被限制在特定的變形模式上;
試驗(yàn)受到時(shí)間和成本的限制。真實(shí)結(jié)構(gòu)的負(fù)責(zé)焊接變形是由多種基本變形組合而成的。每個(gè)基本變形不可能通過(guò)有限的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)區(qū)分。

2、解析法

解析法(彈性理論方法)是基于經(jīng)典彈性理論,忽略熱彈塑性的方法。

局限性:由于該方法是建立在平截面假定和其它一些假定的基礎(chǔ)上的,故只能適用于一些焊接是通過(guò)熔化金屬進(jìn)行的連接的工藝過(guò)程。

3、數(shù)值模擬法

焊接數(shù)值模擬法又叫焊接計(jì)算機(jī)仿真,實(shí)際上就是熱傳導(dǎo)有限元解析法和非線性有限元應(yīng)力解析法的組合,已成為線性問(wèn)題及塑性破壞等非線性問(wèn)題解析不可或缺的手段。

焊接數(shù)值模擬是以試驗(yàn)為基礎(chǔ),采用一組控制方程來(lái)描述一個(gè)焊接過(guò)程或一個(gè)焊接過(guò)程的某一方面,采用分析或數(shù)值方法求解以獲得該過(guò)程的定量認(rèn)識(shí)。

核心要求:確定被研究對(duì)象的物理模型及其控制方程(本構(gòu)關(guān)系)
意義:通過(guò)對(duì)復(fù)雜或不可觀察的焊接現(xiàn)象進(jìn)行仿真和對(duì)極端情況下尚不知的規(guī)則的預(yù)測(cè),以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象的本質(zhì)特征,優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì),從而減少試驗(yàn)工作量,提高焊接質(zhì)量。
應(yīng)用范圍:預(yù)測(cè)焊接溫度場(chǎng)、焊接參與應(yīng)力、大型結(jié)構(gòu)的焊接變形以及焊縫和熱影響區(qū)組織的預(yù)測(cè)。

焊接變形和殘余應(yīng)力的計(jì)算有兩部分組成:

A)隨時(shí)間變化的溫度分布的計(jì)算,即溫度解析;

B)在變化的溫度場(chǎng)下地位移在變化的溫度場(chǎng)下地位移、應(yīng)變和應(yīng)力的計(jì)算應(yīng)變和應(yīng)力的計(jì)算,即應(yīng)力解析即應(yīng)力解析。

焊接數(shù)值模擬主要包括固有應(yīng)變法和熱彈塑性有限元法。

3.1 固有應(yīng)變法

固有應(yīng)變可看成焊接殘余應(yīng)力之源所謂固有應(yīng)變可以看成焊接殘余應(yīng)力之源,物體處于即無(wú)外力又無(wú)內(nèi)力的狀態(tài)下作為基準(zhǔn)態(tài),固有應(yīng)變表征從應(yīng)力狀態(tài)切離后處于自由狀態(tài)時(shí),與基準(zhǔn)態(tài)相比所發(fā)生的應(yīng)變。焊接時(shí),固有應(yīng)變包括塑性應(yīng)變、溫度應(yīng)變和相變應(yīng)變。焊接結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一次熱循環(huán)后,溫度應(yīng)變?yōu)榱?則固有應(yīng)變是塑性應(yīng)變和相變應(yīng)變的殘余量之和。

若已知給定焊焊接過(guò)程的固有有應(yīng)變,使用線彈彈性有有限元代替替熱彈彈塑性有限元求解焊接殘余應(yīng)力和焊接變形,這就大大縮短了計(jì)算時(shí)間。

核心要求:

要用固有應(yīng)變法計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的殘余變形,需要建立一個(gè)龐大的固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)是建立在這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)是建立在熱彈塑性有限元分析和實(shí)驗(yàn)以及長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上的。

基于固有應(yīng)變理論預(yù)測(cè)焊接變形:

建立理想條件下船體焊接接頭固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù);
建立有限元模型;
以基于固有應(yīng)變有限元焊接專用軟件WSDP為基礎(chǔ),利用建立的固有應(yīng)

變數(shù)據(jù)庫(kù),直接對(duì)船體有限元模型的焊接進(jìn)行計(jì)算.

對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)要利用WSDP軟件進(jìn)行焊接變形預(yù)測(cè)計(jì)算軟件進(jìn)行焊接變形預(yù)測(cè)計(jì)算。

注:必須先要建立固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù);

對(duì)于典型焊接接頭的焊接,可通過(guò)熱彈塑性有限元法進(jìn)行計(jì)算;
除此之外,可利用其他行業(yè)的經(jīng)驗(yàn),如機(jī)車(chē)行業(yè),用WSDP軟件對(duì)焊接變形進(jìn)行分析,得出其焊接變形量。再根據(jù)生產(chǎn)工藝條件和實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中積累的大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)固有應(yīng)變基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修正;通過(guò)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)和實(shí)際生產(chǎn)中的的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,修正固有應(yīng)變數(shù)據(jù)庫(kù)。

固有應(yīng)變預(yù)測(cè)焊接變形流程

3.2 基于熱彈塑性理論的焊接預(yù)測(cè)法

跟蹤整個(gè)焊接過(guò)程,以給定的時(shí)間步長(zhǎng),計(jì)算出每一時(shí)刻焊接溫度場(chǎng),以及計(jì)算出每個(gè)時(shí)間段由于溫度變化引起的應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽?逐步累逐步疊加,最終得到的則為殘余應(yīng)力與變形。

優(yōu)點(diǎn):

綜合考慮焊接過(guò)程的幾何非線性、材料非線性和狀態(tài)非線性,考慮顯微組織轉(zhuǎn)變與液固相轉(zhuǎn)變對(duì)熱力過(guò)程的影響,研究移動(dòng)熱源作用下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)、熱應(yīng)力場(chǎng)與變形場(chǎng)。

局限性:

由于焊接熱彈塑性有限元計(jì)算過(guò)程是個(gè)典型的非線性過(guò)程,矩陣方程奇異性大,使得收斂困難使得收斂困難,需要經(jīng)過(guò)多次迭代才能達(dá)到必要的收斂精度;
同時(shí)采用熱彈塑性有限元法需要跟蹤整個(gè)焊接及冷卻過(guò)程,這使得熱彈塑性有限元分析計(jì)算量非常龐大,長(zhǎng)期以來(lái)該方法僅長(zhǎng)期以來(lái)該方法僅適用于一般焊接接頭的力學(xué)行為分析,很少用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形研究。

需求:

要做到精確分析焊接變形,仍然需要大力開(kāi)展熱彈塑性有限元的理論基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用研究,特別是在單元技術(shù)的開(kāi)發(fā)、網(wǎng)格劃分技術(shù)(動(dòng)態(tài)可逆的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù))、多道焊組合處理、多臺(tái)計(jì)算機(jī)并行計(jì)算、相似理論等方面的研究,以提高熱彈塑性有限元分析的計(jì)算速度和計(jì)算精度。(對(duì)軟硬件提出要求)

焊接殘余應(yīng)力

焊接構(gòu)件由焊接而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為焊接應(yīng)力,焊接完成后殘留在焊件結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的焊接應(yīng)力之為焊接殘余應(yīng)力。

焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因是由焊接過(guò)程中不均勻加熱所引起的。焊接應(yīng)力按其發(fā)生源來(lái)區(qū)分,有如下2種情況:

直接應(yīng)力是進(jìn)行不均勻加熱和冷卻的結(jié)果,它取決于加熱和冷卻時(shí)的溫

度梯度,也就是熱脹冷縮原理,是形成焊接殘余應(yīng)力的主要原因;

組織應(yīng)力是由組織變化而產(chǎn)生的應(yīng)力,也就是相變?cè)斐傻谋葻崛葑兓?

產(chǎn)生的應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是由多種因素交互作用而形成的結(jié)果。

熱彈塑性有限元分析的求解過(guò)程是:首先把構(gòu)件劃分成有限個(gè)單元,然后逐步加上溫度增量(焊接時(shí)的溫度場(chǎng)預(yù)先算出)。每次溫度增量加上后,可求得各節(jié)點(diǎn)的位移增量{dδ}。

再根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,可求得各單元的應(yīng)力增量。這樣就可以求解整個(gè)焊接過(guò)程中動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變的變化過(guò)程和最終的殘余應(yīng)力和變形的狀態(tài)。

熱彈塑性問(wèn)題是一個(gè)熱力學(xué)問(wèn)題,在熱彈塑性分析時(shí)有如下一些假定:

材料的屈服服從米賽斯(VonMises)屈服準(zhǔn)則;
塑性區(qū)內(nèi)的行為服從塑性流動(dòng)準(zhǔn)則和強(qiáng)化準(zhǔn)則;
彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變與溫度應(yīng)變式不可分的;
與溫度有關(guān)的力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變?cè)谖⑿〉臅r(shí)間增量?jī)?nèi)線性變化。
對(duì)比

熱彈塑性有限元法不僅可以模擬焊接結(jié)果,而且可以模擬焊接過(guò)程中熱、力及變形和應(yīng)變的變化力;而固有應(yīng)變理論忽略焊接過(guò)程中熱、力及變形和應(yīng)變力及變形和應(yīng)變的隨時(shí)間的變化,只關(guān)注焊后應(yīng)力和應(yīng)變的結(jié)果。