基于ANSYS的焊接过程模拟分析方法研究

摘要：本文探讨了利用ANSYS软件对焊接过程进行模拟的分析方法。通过实例计算得到了焊接过程中的温度场、应力场分布，对焊接模拟过程进行了验证。

关键词：ANSYS 焊接 温度场 应力场

中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0064-02

随着现代计算机技术的广泛应用，焊接生产信息化已成为大势所趋。利用计算机技术对焊接过程进行模拟，可以深入研究焊接过程的本质规律，使焊接技术更加科学化。通过计算机技术模拟复杂的焊接过程，可以有效防止焊接缺陷的发生，对提高焊接质量有重大意义。ANSYS是全球最通用的大型有限元分析软件之一，在CAE仿真分析中发挥着重要作用。其界面友好、功能强大，可以有效模拟焊接的非线性过程。因此，ANSYS软件在焊接过程模拟分析中得到了广泛的应用。

1 ANSYS分析方法

焊接温度场问题，可以看作是在一定初始条件和边界条件下，工件内部的热传导问题。对于一个实体，当不同部位的温度存在差异时，热量就会发生流动从而形成热导。热传导过程符合傅里叶热导方程：

（1）

式中、、分别为x、y、z三个方向上的热导系数，是单位体积热生成率。

求解过程必须考虑边界和初始条件，温度场边界条件分三种类型：

（1）第一类边界条件：物体在某些边界上的温度函数为已知，即：

（2）

式中是边界温度，它可以随位置和时间变化。

（2）第二类边界条件：物体某些边界上的热流密度为已知。

（3）

式中为边界外法线方向，为边界上的热流密度，物体向外流为正。

（3）第三类边界条件：物体在某些边界上的对流条件为已知。

（4）

式中是对流系数，是流体参照温度。

2 关键问题的处理

2.1 高斯移动热源

焊接热源具有局部集中、瞬时、快速移动的特点，很容易形成不均匀的温度场。这种不均匀的温度场，是形成焊接残余应力和变形最根本的原因。因此，建立焊接热源模型对焊接温度场的模拟尤为重要。大量实践证明，对于焊条电弧焊、埋弧焊等，采用表面高斯热源比较理想。其热流密度函数为：

（5）

式中e-e=2.71828；-电弧有效加热半径；-点到电弧加热中心距离；-输入热量。

，为效率，为焊接电压，为焊接电流。

热流密度为面载荷，公式（5）可作为其分布函数。一般把该载荷施加到单元的各个面上，并给定该单元各节点的热流密度值。命令如下：

SFE，ELEM_NUM，SURFACE_NUM，HFLUX，NODE1_VAL，NODE2_VAL...

2.2 单元生死

在焊接开始时焊缝材料并不存在，而是随着焊接过程不断产生的。要真实的模拟焊接过程，就必须用到ANSYS中的“单元生死”技术。

ANSYS程序并不是将“杀死”的单元从模型中删除掉，而是给其单元刚度矩阵乘以一个很小的因子（ESTIF）。“死单元”的单元载荷将为零，从而不对载荷向量生效。同样，“死单元”的质量、阻尼、比热和其他类似效果也为零。单元“出生”，并不是将其加到模型中，而是重新将它们激活。焊缝单元在计算开始时先“杀死”，随着焊接过程的进行，再把这部分单元逐步重新激活，命令如下：

ESEL，S；EKILL，ALL；ALLS；SOLVE；ESEL，S；EALIVE，ALL；ALLS...SOLVE

3 实例分析

如图1为V形开口的两块钢板，钢板材料为20钢。现把两者焊接起来，焊缝为三层单道焊缝。

3.1 建模

焊接过程为对称分布，故取焊缝的一半进行分析。

（1）定义单元类型。本例分析整个焊接过程中的温度场和应力场情况，因此采用能够进行瞬态非线性分析的单元类型。在这里选用ANSYS单元类型库中的平面热实体单元PLANE77和空间热实体单元SOLID90。为了保证计算精度和计算量，在焊缝区域用SOLID90单元，中间部分用PLANE77单元过渡。

（2）网格划分。为了提高模型计算效率，把工件分为三个区， 即焊缝区、远离焊缝区和中间体。在焊缝和远离焊缝的区域分别用大小不同的六面体网格划分，中间部分用四面体自由网格过渡。网格划分如图2：

（3）热源的加载。在此选用高斯热源，并用分步加载的方法进行加载（热源是随着电弧的移动逐渐加载上去的），利用“单元生死”技术来模拟焊道的焊接情形。通过定义生热率来模拟电弧的移动过程，并随着时间和空间加载。

3.2 求解结果

经过ANSYS求解和通用后处理，可以得到焊接过程从开始到冷却结束时，不同时间的温度场和应力场分布云图（图3、图4）。从分析结果知：焊接时应力较小，冷却结束时残余应力较大，达到364MPa.

4 结语

本文探讨了利用ANSYS软件模拟焊接过程的方法，并用实例证明焊接过程的温度场和应力场分布与焊接实际符合的很好，这表明利用ANSYS对焊接过程的模拟是比较成功的。通过分析得到：在焊接过程中，焊接时应力较小，冷却结束时残余应力较大。

参考文献

[1]王长利.焊接温度场和应力场数值模拟[D].沈阳：沈阳工业大学，2005.

[2]汪建华，戚新海，钟小敏.三维瞬态温度场的有限元建模[J].上海交通大学学报，1996，30（3）：120-125.

[3]谢元峰.基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究[D].湖北：武汉理工大学，2006.

[4]李冬林.基于ANSYS软件焊接温度场应力场模拟研究[D].武汉：湖北工业大学机械工程学院，2005.

[5]蔡志鹏，赵海燕，鹿安理等.焊接数值模拟中分段移动热源模型的建立及应用[J].中国机械工程2002，13（3）：208-210.