基于ANSYS的溫度場模擬

歐青華

1 引言

傳統(tǒng)的針對軍用裝備的焊接維修方式已經(jīng)明顯不能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，戰(zhàn)爭對裝備的毀壞是巨大的，因此，需要在技術(shù)上有大幅度提高，保證維修過程的迅速準(zhǔn)確。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。倘若對工程裝備的焊接能夠通過計算機進行模擬，我們就能夠通過計算機系統(tǒng)來確定焊接的最佳設(shè)計、最佳參數(shù)和最佳工藝。

通過數(shù)值模擬可以在很大程度上節(jié)約戰(zhàn)場人力、物力和拓展戰(zhàn)場時間，特別是面對復(fù)雜的大型軍用裝備，該類型軍用裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接過程中需要更精確的參數(shù)，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及有限元法的建立，越來越多的焊接工作者利用數(shù)值模擬技術(shù)研究焊接問題，并取得了豐富的成果。

本文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，全面系統(tǒng)地論述了焊接溫度場的基本理論，并應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對平板堆焊溫度場進行了軍用工程機械數(shù)值模擬計算。本文主要內(nèi)容為：

1.通過對高斯熱源的焊接溫度場進行模擬，討論了焊接參數(shù)對溫度場的影響。

2.用直接法模擬計算焊接溫度場，得出最佳參數(shù)。

軍用工程機械焊接數(shù)值模擬的現(xiàn)實意義在于，根據(jù)對焊接現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬，可以優(yōu)化工藝參數(shù)，從而減少不必要工作，提高焊接質(zhì)量和效能。

2 有限元分析的理論基礎(chǔ)

有限元法（Finite Element Method， FEM），又稱為有限單元法或有限元素法，基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。它是隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種新型現(xiàn)代計算方法。

2.1 有限元法介紹

將物理結(jié)構(gòu)分割成不同類型、不同大小的區(qū)域，這些區(qū)域就稱為單元。根據(jù)不同進行科學(xué)分析，推導(dǎo)出每一個單元的作用力方程，集成整個結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方程，最后求解該系統(tǒng)方程并得出結(jié)論的方法，就是有限元法。簡單地說，有限元法是一種離散化的數(shù)值方法。離散后的單元與單元間只通過節(jié)點相聯(lián)系，將所有力和位移都進行簡化，通過節(jié)點進行計算。對每個相應(yīng)單元，選取合適的插值函數(shù)，使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、自語分界面上以及子域與外界分界面上都滿足一定的條件。然后將所有單元的方程組合起來，得到整個結(jié)構(gòu)的方程。求解該方程，最終可以得到結(jié)構(gòu)的近似解。

離散化是有限元方法的理論基礎(chǔ)。必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況，決定單元的數(shù)目、類型、大小、形狀以及排列方式。其目的是：將整個結(jié)構(gòu)分割成足夠小的單元，使得簡單位移模型足夠近似地表示精確解。注意，又不能太小，否則計算量很大。

2.2 ANSYS軟件介紹

ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件。能夠進行包括結(jié)構(gòu)、聲、熱、流體、電磁場等科學(xué)的研究，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、汽車交通、國防軍工、日用家電等各個領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。ANSYS總共包括100多個單元，提供了對各種物理場量的分析功能，可以將其應(yīng)用到如下學(xué)科：

ANSYS的設(shè)計優(yōu)化功能可以優(yōu)化任何方面的約束變量和設(shè)計變量，如形狀、應(yīng)力、自然頻率、溫度、磁勢、壓力、速度或離散量等，并可進行參數(shù)、形狀、拓?fù)鋬?yōu)化。

ANSYS軟件主要包括以下三個部分：

1.前處理模塊，前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；

2.分析計算模塊，分析計算模塊包括可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析、電磁場分析、流體動力學(xué)分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的藕合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；

3.后處理模塊，后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

2.3 焊接有限元模型的簡化

焊接是涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程。焊接現(xiàn)象包括焊接時的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變、焊接應(yīng)力與變形等等。它們之間的相互關(guān)系如圖3.1所示。

圖中十分強調(diào)相變行為的影響，并顯示出有限元分析中基本輸入和輸出參數(shù)。在焊接熱力學(xué)模擬時，通常著重考慮溫度場、應(yīng)力、變形及顯微組織之間相互影響，而忽略其它因素，因此圖3.1可簡化為圖3.2。圖3.2中箭頭表示是相互的影響：實線箭頭表示強烈的影響，虛線箭頭表示較弱的影響。

從圖1.2可以看出，影響焊接應(yīng)力應(yīng)變的因素有焊接溫度場和金屬顯微組織，而焊接應(yīng)力應(yīng)變場對溫度場和顯微組織的影響卻很小，所以在分析時，一般僅考慮單向藕合問題，即焊接溫度場和金屬顯微組織對焊接應(yīng)力應(yīng)變場的影響，而不考慮應(yīng)力場對它們的影響。但如果焊件的應(yīng)力應(yīng)變大到影響焊件溫度場分布，就不得不考慮雙向耦合了，本文研究焊接溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場雙向耦合的條件下進行計算。此外，金屬相變對焊接溫度場有影響，但影響不是很大，因為考慮相變潛熱對其溫度場的影響較容易，所以本文考慮它對溫度場的影響。

3 焊接溫度場模擬

根據(jù)前文可知焊接過程溫度場分析是屬于瞬態(tài)熱分析范疇，其應(yīng)力分析則屬于熱—力耦合分析。對于焊接的熱應(yīng)力研究，ANSYS提供了三種進行熱應(yīng)力分析的方法：

1、在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中直接定義節(jié)點的溫度如果所有節(jié)點溫度已知，則可以通過BF ，BFE或BFK命令直接定義節(jié)點溫度。節(jié)點溫度在應(yīng)力分析中作為體載荷，而不是節(jié)點自由度。

2、間接法首先進行熱分析，然后將求得的節(jié)點溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。

3、直接法使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的結(jié)果。

如果節(jié)點溫度已知，可直接使用第一種方法，但是節(jié)點溫度一般很難知道，所以，在大多數(shù)情況下推薦使用第二種和第三種方法一一間接法和直接法。在選用直接法和間接法時主要考慮熱分析的結(jié)果對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的影響程度。

（1）間接法可以使用所有熱分析和結(jié)構(gòu)分析的功能。如果熱分析是瞬態(tài)的，只需要找出溫度梯度最大的時間點，并將此時間點的節(jié)點溫度作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。一般來說，在熱分析結(jié)果對應(yīng)力分析影響比較小的情況下，即主要考慮熱分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的影響，而不考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果反過來對熱分析的影響時，這種單向耦合計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力場選用間接法。

（2）直接法主要用于熱與結(jié)構(gòu)的雙向藕合，即熱分析的結(jié)果影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，同時結(jié)構(gòu)變形又會影響熱分析。這種順序耦合計算結(jié)構(gòu)應(yīng)力一般選用直接法。

但在本課題研究中，本文采用了直接法進行數(shù)值模擬。

基于ANSYS的焊接過程模擬主要有以下過程：

1、建模包括建立幾何模型、確定材料的特性參數(shù)、網(wǎng)格劃分

2、邊界條件的處理包括建立幾何約束條件、環(huán)境條件的處理

3、確定移動熱源包括確定移動熱源模型及加載

4、確定載荷步驟包括加熱過程中的載荷時間步長及冷卻過程中時間步長處理

本文根據(jù)上述的步驟通過下圖的模型對基于ANSYS焊接數(shù)值模擬中的關(guān)鍵技術(shù)進行了闡述。由于計算機硬件條件的限制，計算中試件的尺寸選的較小。

工件尺寸為120mm x 120mm x 6mm，材料為25#鋼，電弧中心在KI線上沿X方向移動。實際模型簡圖如圖1.3所示。

焊接參數(shù)如下：

電弧電壓U=25V；焊接電流I=180A；焊接速度=10mm/s；

焊接熱效率η=0.75；電弧有效加熱半徑R=6mm。

3.1 幾何模型的確定

一般地，在焊接過程中，焊接熔池、被焊工件之間甚至被焊工件與焊嘴之間均發(fā)生著劇烈的物理、化學(xué)反應(yīng)，其間包括焊接熔池中的流體動力學(xué)和熱過程，熱源與金屬間的相互作用，焊縫金屬凝固和焊接接頭的相變過程。每種現(xiàn)象互相關(guān)聯(lián)但又各自自成一體，而具體到本文的內(nèi)容則著重分析焊接結(jié)構(gòu)的溫度場的瞬態(tài)變化情況。因而，在進行仿真分析時，應(yīng)該弱化處理甚至不處理那些對溫度場影響微弱的因素。例如，針對焊接熔池中的流體動力學(xué)和熱過程，可以僅考慮熔池內(nèi)部液態(tài)金屬對流傳熱對熔池形狀的影響結(jié)果，而對其中液態(tài)金屬具體如何流動以及表面張力梯度如何變化等問題不做細(xì)致分析。

另外，考慮到厚板三維模型網(wǎng)格劃分后其單元數(shù)量龐大，使得計算時間過長：材料物理參數(shù)的嚴(yán)重非線性導(dǎo)致求解過程收斂困難；焊接過程影響了數(shù)值模擬的精度等諸多因素，需對分析模型進行適當(dāng)簡化處理（例如減小模型尺寸），并作如下的假設(shè)：

1.焊件的初始溫度為室溫（25℃）；

2.忽略熔池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和攪拌、對流等現(xiàn)象；

3.焊接以恒定速度V進行，電弧的能量密度服從高斯分布；

4.不考慮焊件與實驗臺之間的熱傳導(dǎo)，假設(shè)焊件的所有外邊界僅與空氣發(fā)生對流換熱，將輻射換熱的影響禍合到對流換熱中，而不作單獨考慮；

5.忽略焊條與母材材料的不一致性，對應(yīng)統(tǒng)一的隨溫度變化的熱物性參數(shù)。

在ANSYS中，如果分析對象呈對稱的幾何形狀，并且所受載荷也對稱，則可考慮只計算模型的一部分，并且在對稱點、面、線或面上施加對稱邊界條件。本文所研究的是同種工件的對接焊，工件形狀及其載荷均沿焊縫對稱故而，可以只考慮對其中的一半建模。

3.2 焊接溫度場結(jié)果分析

下面是焊接過程的各時間段的溫度場分布云圖。其中圖1.5-1.8為加熱過程的溫度場分布云圖，圖1.9-1.12為冷卻過程的溫度場分布云圖。

從圖1.5-1.8的焊接加熱過程的溫度場分布云圖上我們可以看到，加熱開始一段時間內(nèi)，溫度很不穩(wěn)定，而且焊件升溫迅速。經(jīng)過一段時間后，焊件上會形成準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場，即焊件上各點的溫度雖然隨時間變化，但各點固定的溫度跟隨熱源一起移動。可以清楚地看到，進入準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)后，溫度云圖上的等溫線形狀呈現(xiàn)為以焊接方向為長軸的四分之一近似橢圓形，焊接熱源前方等溫線密集，溫度梯度大，后方等溫線稀疏，溫度梯度小。

從13s后，焊件進入冷卻階段，焊件的溫度下降很快，等溫線的范圍不斷擴大，最后各點溫度逐漸趨于環(huán)境溫度。

4 本文小結(jié)

本文主要在軍用工程機械焊接中引入的有限元方法進行了簡單的介紹，對裝備維修中涉及的焊接模型進行了簡化，利用ANSYS強大的后處理功能對不同時刻的焊接溫度場分布情況進行了分析，準(zhǔn)確掌握了各個階段的合理數(shù)值，為今后從事軍事裝備焊接研究提供了方向，為進一步提高軍事裝備的作戰(zhàn)能力奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。