应用研究
基于 ANSYS 的焊接过程模拟分析方法研究
安超
(长安大学工程机械学院机械电子工程系陕西西安710064)
与皮
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、应力场分市，对焊接模拟过程进行了验证，
关键调：ANSYS烊接温度场应力场
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。
1ANSYS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：
afk yay
ax
= 0
(1)
式中K,、K，、K.分别为x.y、z三个方向上的热导系数，9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(S)的温度函数为已知，即：
T / S, = T(x, J,z,r)
式中T(T,J,z,)是边界湿度，它可以随位置和时间变化，
(2)
(2)第二类边界条件：物体某些边界上(S,)的热流密度Os为已知。/S,=Q(x,,2,n)
K
n
(3)
式中几为边界外法线方向，Os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。 Os = h(T, T,)
(4)
式中是对流系数，T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，很容易形成不均勾的温度场，这种不均勾的温度场，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：
30
(r)=
R
(5)
式中e-e=2.71828；R-电弧有效加热半径；r-点到电弧加热中心距离；0一输人热量。
α=nuI，"为效率，U为焊接电压，1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，面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固子(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。
60 2
100
图1V形坡口的两块钢板
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
作者简介：安超，男，1989年2月生，研究生学历（研二)研究方向：机械动态仿真与优化设计。 64