應用 | ANSYS軟件在焊接領域的應用

2017-03-10 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

焊接工藝方法

電弧焊

電弧焊是目前應用最廣泛的焊接方法。它包括有焊條電弧焊、埋弧焊、鎢極氣體保護電弧焊、等離子弧焊、熔化極氣體保護焊等。絕大部分電弧焊是以電極與工作之間燃燒的電弧作為熱源的。在形成接頭時,可以采用也可以不采用填充金屬。

電阻焊

這是以電阻熱為能源的一類焊接方法,包括以熔渣電阻熱為能源的電渣焊和以固體電阻熱為能源的電阻焊。

高能束焊

這一類焊接方法包括電子束焊和激光焊。

釬焊

釬焊的能源可以是化學反應熱,也可以是間接熱能。它是利用熔點比被焊材料的熔點低的金屬作釬料。經(jīng)過加熱使釬料熔化,靠毛細管作用將釬料吸入到接頭接觸面的間隙內,潤濕被焊金屬表面,使液相與固相之間相互擴散而形成釬焊接頭。因此,釬焊是一種固相兼液相的焊接方法。

摩擦焊

磨擦焊是以機械能為能源的固相焊接。它是利用兩表面間的機械磨擦所產(chǎn)生的熱來實現(xiàn)金屬的連接的。

焊縫構型

焊接工程考慮

變形

主要是控制并使變形最小。通過優(yōu)化裝配工藝,降低制造成本,降低縫隙閉合力,減小夾具力的偏差。帶來的主要好處是改善服役特性,減小縫隙閉合力,降低由于夾具力的偏差。

焊接質量

主要是提高焊接質量,優(yōu)化服役特性。主要通過下面兩個方面來進行控制。

控制冷卻速率,微觀組織,硬度和微觀組織對整體材料和結構特性的影響
控制氫的擴散

對再結晶鋼,需要控制最大和最小冷卻速率,過高的冷卻速率導致過多的馬氏體;過低的冷卻速率導致晶粒粗糙。過高的硬度可能導致裂紋和服役失效。

應力:主要是兩個方面的工作。

控制圍繞連接處局部的殘余應力
控制所設計的焊接結構整體應力

進行應力控制有助于

減重;增強焊接結構疲勞性能;改善焊接質量;減少昂貴的服務問題。例如能源和核工業(yè)中多道焊接的殘余應力。目標避免裂紋和失效,控制殘余應力,微觀組織,硬度,預熱和焊絲材料。

溫度控制

控制易損敏感設備的溫度場,避免由于焊接熱效應導致設備的實效。

估計殘余變形

裝配結構要求有順序的進行連續(xù)焊和/或點焊。因此, 確定焊接順序和焊接位置是正確完成焊接組裝工藝的關鍵。數(shù)值模擬使得工程師可以預測變形并且使之最小化,進一步提高了產(chǎn)品的整體質量以及顯著的節(jié)省了成本。

最小化殘余應力:進行焊接模擬的目的是控制生產(chǎn)過程,最大限度地減少應力梯度和表面張力,減少負荷循環(huán)中產(chǎn)生的裂縫,所以產(chǎn)品的壽命得到了延長。使用數(shù)值模擬同樣可以檢測到零件表面的壓應力,因此避免由于拉伸應力造成的腐蝕風險,從而提高了產(chǎn)品的質量。

研究幾何形狀、材料和工藝參數(shù)的敏感性

用于設計階段,ANSYS工藝過程模擬能夠減少代價高昂的設計錯誤。在產(chǎn)品研發(fā)周期的每個步驟,用于修正錯誤的成本正在逐漸增加。全新設計周期中的早期階段輔助優(yōu)化零件幾何形狀、材料和工藝參數(shù),避免了后來可能發(fā)生的昂貴的工程變更。

優(yōu)化焊接工藝過程

允許使用速度、能量輸入等等多種用戶自定義的焊接順序和焊接工藝參數(shù)。

定性評估焊縫強度

在得到焊縫處殘余應力的定性值后,進行整體結構工作狀況下的應力計算,從而得到焊縫處承受的整體應力水平。

焊縫疲勞評估

焊縫的壽命評估,耐久性計算?？煽紤]完成工藝過程后殘余應力的影響。

焊縫缺陷情況下的裂紋擴展

利用初始缺陷下的裂紋,通過斷裂力學計算工作情況下的裂紋擴展以及對應的壽命。

優(yōu)化產(chǎn)品

結合焊接工藝考慮整體產(chǎn)品的優(yōu)化。

ANSYS焊接模擬技術和流程

利用ANSYS生死單元技術既可模擬焊接過程中的堆焊部分,分別加載能量進行溫度場計算達到模擬焊接的整個過程。

生死單元的定義

單元生死允許用戶在分析過程中(重新)激活或殺死特定的單元。在載荷歷程的后期可以“生”單元,這意味著在分析中單元最初被殺死, 但后來被重新激活。在載荷歷程中單元能被“殺死”,這意味著單元停止提供任何顯著的結構響應。建模時, 確保進行求解前生成所有單元。

外加載荷

對于殺死的單元, 單元載荷矢量(壓力、溫度)自動置零。質量被置零, 所以加速度載荷也不影響殺死的單元。集中節(jié)點力不能自動從殺死單元的自由度中刪除,用戶必須手動刪除殺死節(jié)點的集中載荷。類似地, 當單元重新激活時, 這些節(jié)點載荷必須重新施加。對于重新激活單元,所有單元和慣性載荷(壓力、溫度和加速度)被恢復,節(jié)點力, 如上所述, 不受單元生死的影響。

約束施加

當殺死單元被重新激活時, 若想保持單元的形狀,則約束殺死單元的節(jié)點可能是重要的,重新激活單元時,務必刪除這些人為的約束。不與任何單元連接的節(jié)點會“漂移”,有些情況下, 可能想約束殺死的自由度, 以減少要求解的方程數(shù)目或避免病態(tài)(前已述及縮減系數(shù)ESTIF 在剛度矩陣中產(chǎn)生較小量, 可能引起病態(tài))。注意約束方程(CE or CEINTF) 不能用于殺死的自由度。

求解選項

指定大位移求解(NLGEOM,ON),否則, 一些單元類型將在它們原始指定的幾何構形中被重新激活(即應該包括大變形效應以獲得有意義的結果)。對所有的生死應用, 因為在后面的載荷步中程序不能預測EKILL 命令的存在, 所以若不存在其它非線性, 則務必在第一個載荷步明確設置Newton-Raphson選項。LSWRITE和LSSOLVE 命令不能用于生死選項,需要使用一系列明確的SOLVE 命令來進行多載荷步求解。自適應下降可以用于單元生死, 且通常提供好的結果。通過殺死然后重新激活單元可模擬應力釋放操作(如退火)。

后處理

對大多數(shù)生死單元分析的后處理遵循標準的程序。認識到“殺死的”單元仍存在于模型中, 并將包括在單元顯示、輸出列表中, 等等。使用選擇邏輯從單元顯示和其它后處理操作中刪除殺死的單元。后處理時,若殺死的單元不是未選擇的, 它們將顯示零應力、應變和位移。當使用節(jié)點等值圖時, 這可能會產(chǎn)生“污染的”結果(單元等值圖不污染結果)。