关于焊接的CAE仿真理论基础
CAE基础知识介绍.ppt
1-2 应力的概念
弹性体内微小的平行六面体PABC，称为体素
PA=dx,PB=dy,PC=dz
每一个面上的应力 分解为一个正应力 和两个剪应力，分 别与三个坐标轴平 行
s 正应力 剪应力
图 1-4
1-2 应力的概念
s 正应力
为了表明这个正应力的作用面和作用方向，加
上一个角码，例如，正应力 s x是作用在垂直于x轴
体所有各点的位移都远小于物体的原有尺寸，因而应变和转角 都远小于1，这样，在考虑物体变形以后的平衡状态时，可以 用变形前的尺寸来代替变形后的尺寸，而不致有显著的误差； 并且，在考虑物体的变形时，应变和转角的平方项或乘积项都 可以略去不计，这就使得弹性力学中的微分方程都成为线性方 程。
1-2 应力的概念
弹性力学中关于材料性质的假定
(1) 物体是连续的，亦即物体整个体积内部被组成这种物体
的介质填满，不留任何空隙。这样，物体内的一些物理量，如 应力、应变、位移等等才可以用座标的连续函数来表示。
(2) 物体是完全弹性的，亦即当使物体产生变形的外力被除
去以后，物体能够完全恢复原形，而不留任何残余变形。这样， 当温度不变时，物体在任一瞬时的形状完全决定于它在这一瞬 时所受的外力，与它过去的受力情况无关。
作用于弹性体的外力(或称荷载)可能有两种： 表面力，是分布于物体表面的力，如静水
压力，一物体与另一物体之间的接触压力等。 单位面积上的表面力通常分解为平行于座标轴 的三个成分， 用记号 、、 来表示。
体力，是分布于物体体积内的外力，如重 力、磁力、惯性力等。单位体积内的体力亦可 分解为三个成分，用记号X、Y、Z表示。 弹性体受外力以后，其内部将产生应力。
总之，弹性力学与材料力学既有联系又有区别。 它们都同属于固体力学领域，但弹性力学比材料力学， 研究的对象更普遍，分析的方法更严密，研究的结果
CAE理论知识
粘塑性有限元法主要用于热加工，因为在热加工过程中应变硬化效应不显著，板料变形对变形速度有较大敏感性。
AutoForm-Incremental 求解器应用了最新的有限元隐式算法，从而保证求解的迭代收敛，同时采用自适应网格、时阶控制、复杂工具描述的强有力接触算法、数值控制参数的自动决定和使用精确的全量拉格朗日理论（Total-Lagrange Theory）等保证快速求解和结果的准确性。
单元理论根据众多的研究实践，可用于冲压成形有限元模拟分析的单元有三类：基于薄膜理论的薄膜单元、基于板壳理论的壳单元和基于连续介质理论的实体单元。
1）薄膜单元薄膜单元是C0型单元，其构造格式简单、对内存要求小，但其理论基础是基于平面应力假设的薄膜理论，忽略了弯曲效应，考虑的内力仅为沿薄壳厚度均匀分布的平行于中面的应力，忽略弯矩、扭矩和横向剪切，分析弯曲效应比较明显的成形过程比较困难。
2）壳单元一般壳体单元按照壳体几何形状描述方式分为曲面单元和平板单元。
考虑消除剪切自锁和零能量模态的方法，又分为许多不同的单元，其中以Hughes-Liu（HL）单元和Belytschko-Tsay（BT）单元最为著名。
3）实体单元实体单元考虑了弯曲效应和剪切效应，而且也是0C单元，其格式比薄膜单元还要简洁，而且由于连续介质理论是三维理论，所以实体单元能处理三维成形问题。
但同时利用实体单元进行冲压问题的分析，计算时间太长，尤其是在处理像汽车覆盖件冲压成形这样的复杂三维成形问题时，其效率过于低下。
因此，除了在板料厚度较大必须使用实体单元外，像覆盖件这样复杂零件的冲压成形数值模拟一般不用实体单元。
算法格式1）显式算法显式算法包括动态显式和静态显式算法。
动态显式算法的最大优点是有较好的稳定性，采用动力学方程的中心差分格式，不用直接求解切线刚度，不需要进行平衡迭代，计算速度快，也不存在收敛控制问题，所需内存也比隐式算法要少。
静态显式法基于率形式的平衡方程组与Euler前插公式，不需要迭代求解。
焊接仿真详谈
焊接仿真详谈焊接是当前各⾏各业常⽤的加⼯⼿段，焊接⽔平的⾼低在很⼤程度上决定了产品的质量和⽣产效率，特别是船舶⾏业，⽽焊接变形⼜是焊接过程中最难控制的⼀环。
焊接变形的影响有：焊接结构形状变异，尺⼨精度下降；承载能⼒降低；在⼯作载荷作⽤下引起的附加弯矩和应⼒集中作⽤下导致结构失效；结构疲劳降低。
焊接变形的预测⽅法：1、经验（试验）法：经验（试验）法是通过试验建⽴经验公式和数据曲线，⽤经验公式和数据曲线来估计焊缝的收缩量和⾓变形量。
局限性：在⼀定条件下的试验或⽣产实际中得到的，⼀般被限制在特定的变形模式上；试验受到时间和成本的限制。
真实结构的负责焊接变形是由多种基本变形组合⽽成的。
每个基本变形不可能通过有限的试验结果来区分。
2、解析法解析法（弹性理论⽅法）是基于经典弹性理论，忽略热弹塑性的⽅法。
局限性：由于该⽅法是建⽴在平截⾯假定和其它⼀些假定的基础上的，故只能适⽤于⼀些焊接是通过熔化⾦属进⾏的连接的⼯艺过程。
3、数值模拟法焊接数值模拟法⼜叫焊接计算机仿真，实际上就是热传导有限元解析法和⾮线性有限元应⼒解析法的组合，已成为线性问题及塑性破坏等⾮线性问题解析不可或缺的⼿段。
焊接数值模拟是以试验为基础，采⽤⼀组控制⽅程来描述⼀个焊接过程或⼀个焊接过程的某⼀⽅⾯，采⽤分析或数值⽅法求解以获得该过程的定量认识。
核⼼要求：确定被研究对象的物理模型及其控制⽅程（本构关系）意义：通过对复杂或不可观察的焊接现象进⾏仿真和对极端情况下尚不知的规则的预测，以助于认清焊接现象的本质特征，优化结构设计和⼯艺设计，从⽽减少试验⼯作量，提⾼焊接质量。
应⽤范围：预测焊接温度场、焊接参与应⼒、⼤型结构的焊接变形以及焊缝和热影响区组织的预测。
焊接变形和残余应⼒的计算有两部分组成：A）随时间变化的温度分布的计算，即温度解析；B）在变化的温度场下地位移在变化的温度场下地位移、应变和应⼒的计算应变和应⼒的计算，即应⼒解析即应⼒解析。
焊接数值模拟主要包括固有应变法和热弹塑性有限元法。
CAE的基本原理
CAE的基本原理1）粘性流體力學的基本方程(1) 廣義牛頓定律，反映了一般工程問題範圍內粘性流體的應力張量與應變速率張量之間的關係，數學運算式為本構方程。
(2) 品質守恆定律，其含義是流體的品質在運動過程中保持不變，數學運算式為連續性方程。
(3) 動量守恆定律，其含義是流體動量的時間變化率等於作用於其上的外力總和，數學運算式為運動方程。
(4) 熱力學第一定律，其含義是系統內能的增加等於對該系統所作的功與加給該系統的能量之和，數學運算式為能量方程。
2）塑膠熔體充模流動的簡化和假設(1) 由於型腔壁厚(z向)尺寸遠小於其他兩個方向(x和y方向)的尺寸且塑膠熔體粘性較大，所以熔體的充模流動可視為擴展層流，z向的速度分量可忽略不計，且認為壓力不沿z向變化。
(2) 充模過程中熔體壓力不是很高，因此可視熔體為未壓縮流體。
(3) 由於熔體粘性較大，相對于粘性剪切應力而言，慣性力和品質力都很小，可忽略不計。
(4) 在熔體流動方向(x和y方向)上，相對于熱對流項而言，熱傳導項很小，可忽略不計。
(5) 熔體不含內熱源。
(6) 在充模過程中，熔體溫度變化不大，可認為比熱容和導熱係數是常數。
(7) 熔體前沿採用平面流前模型。
3）塑膠熔體充模流動的控制方程5）數值計算實施過程與策略CAE軟體的應用過程。
首先根據製品的幾何模型剖分具有一定厚度的三角形單元，對各三角形單元在厚度方向上進行有限差分網格剖分，在此基礎上，根據熔體流動控制方程在中性層三角形網格上建立節點壓力與流量之間的關係，得到一組以各節點壓力為變數的有限元方程，解方程組求得節點壓力分佈，同時將能量方程離散到有限元網格和有限差分網格上，建立以各節點在各差分層對應位置的溫度為未知量的方程組，求解方程組得到節點溫度在中性層上的分佈及其在厚度方向上的變化，由於壓力與溫度通過熔體粘度互相影響，因此必頇將壓力場與溫度場進行迭代耦注射溫度熔體流入冷卻的型腔，因熱傳導而散失熱量。
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。
焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。
焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。
这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。
由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。
因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。
传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。
ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。
文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。
2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。
由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。
在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。
差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。
对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。
但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。
某车体侧墙立柱焊接过程CAE仿真研究
工 艺试 验 对 比 ，实现 焊接 过程 的控 制 。 关 键词 ：Ｃ Ａ Ｅ；侧墙 ；Ａ Ｂ Ａ ＱＵＳ ；焊接 行 为 ；焊接 热输入 ；协 同仿 真
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｂ ３ ０ ２ ． ３
文献 标识 码 ：Ａ
目前 ，Ｃ Ａ Ｅ（ 计算 机辅 助工 程 ）的研 究 已 经在 制 造 业 推广 ，在影 响 Ｃ Ａ Ｅ技 术 发 展 的 诸 多 因素 中 ，人才 、计 算 机 硬 件 和 分 析 软 件 是 三 个 最 主 要 的 方 面 ，现 代 计 算 机 技术 的飞 速 发 展 ， 已经 为 Ｃ Ａ Ｅ技 术 奠 定 了 良好 的硬 件 基 础 。 多 年 来 ，重 视Ｃ Ａ Ｅ技 术人 才 的培 养 和分 析 软件 的开 发 和推 广应 用 ，发 达国家 不仅 在科技 界 ， 而 且 在 工程 界 ， 已经 具 有 一支 较 强 的掌 握Ｃ Ａ Ｅ技 术 的 人才 队伍 ，同时 在 分 析软 件 的开发和 应用 方面也 达 到了较 高水平 。 焊接技 术是现代制造业 中最有效 、 应 用 最 广 泛 的 连 接方 法 ，广 泛 应 用 于 轨 道 车辆 、 船舶 、 航 空航 天等 制 造工 程领 域 。 在 焊 接 过 程 中 ，由于 其 不 均 匀 的加 热 及 冷 却 过 程 ，焊接 结 构 焊 后 存 在 着 不 可 避 免 的焊 接 残 余 应 力 和 变 形 。特 别 是 对 于 大 型结 构而 言 ， 结 构尺 寸大 ， 形状 复 杂 ， 焊缝 总长度长 ，焊后残余应力、变形情 况更 为复杂 ，对制造精度及使用性 能的 影 响更 为 显 著 ，装 备 制 造 业 为 国 民经 济 各 行 业 提 供技 术 装 备 ，产 业 关 联 度 高 、 吸 纳 就业 能 力 强 ，是 各 行 业 产 业 升 级 、 技术 进步 的重 要 保 障和 国家 综 合 实 力 的 集 中 体 现 。最 近 几 年 ，我 国 的 制 造 业 发 展 速 度 快 ，重 大 技 术 装 备 自主 化 水 平 显 著 提 高 ，已经 成长 为装 备 制 造 业 大 国。 然而产业大而不强 ，高新技术与传统装 备 工 业 改 造 结 合 不 够 ，装 备 制 造 业 信 息 化 程 度 、 自动 化 程 度 不 高 。对 于 铝 合 金 车 体 而 言 ， 由于 铝 合 金 具 有 导 热 率 大 、 热 膨 胀 系 数 大 等 特 性 ，其 焊 接 结 构 焊 接 残 余 应 力 、变 形 更 为 显 著 ，因此 对 铝 合 金 车体 的焊 接 变 形 控 制 也 成 为 亟 待解 决 的 问题 。 焊接数值模拟技术充分利用现代计 算机技术和高性能计算技术 ，通过建立 精 确 的 数 学 物 理模 型 ，数 字 化 再 现 焊 接 过 程 ，可 有 效 地 实 现 对 复 杂 或 不 可 观 察 现象的定量分析。应用数值模拟技术为 实 际 焊 接 生 产 提供 全 面 的参 考 数 据 和 可 行 性 理 论 支 持 ，为控 制 焊 接 变 形 提 供 了
关于焊接的CAE仿真理论基础
2019/11/3
Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
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材料加工的计算机模拟与仿真
Aluminium welding of BMW suspension parts
At BMW, SYSWELD is used to predict distortions and residual stresses on welded aluminum frame parts. An example is the wing of the rear axis system of a BMW series 5. The wing is made out of three hydroformed, thick-walled aluminum parts which are welded together by 8 welding joints in a certain sequence.
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材料加工的计算机模拟与仿真
焊接数值模拟：其他加热工艺
• 热处理
– 包括焊后热处理等对应力和变形的影响等等
• 热校核
– 焊后产生变形，用局部加热的方法校正，研 究加热部位，加热量等因素的影响
• 热成形
– 确定加热部位，热源强度，加热时间等等； 可以实现变形的精确控制
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– 过程模拟，温度，压力对界面接合的影响；TLP过程的模拟
• 钎焊
– SMT焊点形态模拟，焊点服役过程中的热应力应变循环，寿 命估计等等
CAE入门基础
标准
CAE常见分析结果
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Temperature at flow front
Page 28
Bulk temperature
定义
聚合物熔体在成型周期内流经某一位置 在其厚度上的温度变化(动态结果).
在填充期间均匀的体积温度分布是想要的模型设计。 体积温度显示是检查流动分布的另外一种方式。连 续流动的区域（热对流）的体积温度会比较高，当 在该区域的流动停止时,体积温度下降得很快。 热点是由于在填充阶段过多的粘性发热。如果 最大体积温度接近于材料降解温度，考虑在热 点部分更改产品的几何形状或者改变工艺条件。 微小的温度也能导致不均匀的收缩和翘曲。
跑道效应
熔接线====Weld Lines
熔接线
在填充时间上重叠熔接线确定其存在， 熔接线会导致结构和外观视觉上的缺陷。
CAE常见分析结果
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Pressure at V/P switchover
定 义
该结果从流动分析产生，显示 了通过模型内的流程在从速 度到压 力控制切换点的压力分布。
PC-用来做照相机，手机本体是因为精密度高及韧性高，用来做CD壳是利用其透明性好。
产品与模具
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模具材料介绍
模具钢材种类不同，则它的传热能力不同，影响水路分析结果。
产品与模具
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模具介绍
模 具 的 设 计 与 产 品 成 型
1.成型可行性
2.浇口的形式，位置 3.流道的形式，尺寸 4.水路的排布
结晶性和非结晶性
结晶性塑胶 规则性高的分子 PE PA POM 非结晶性塑胶 规则性低的分子 PS PVC PC ABS
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材料加工的计算机模拟与仿真
Multipass submerged arc welding
Comparison of transverse residual stresses between simulation and X-Ray diffraction
Monte Carlo Simulation of Grain Growth in Metals
• 2-D simulation • 3-D simulation
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疲劳性能等）与可靠性分析等等
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材料加工的计算机模拟与仿真
焊接数值模拟：其他焊接方法
• 电阻点焊
– 熔核的形成与控制，性能预测与分析
• 扩散焊
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材料加工的计算机模拟与仿真
Resistance Welding Temperature Distribution (thermal-electrical interactions)
The following quicktime movie shows typical heating and cooling during resistance welding process in a steel sheet. The movie shows only 1/4th of the geometry due to symetry.
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材料加工的计算机模拟与仿真
Neural Network for Pulsed - Laser Welding Process
• There are four variables that appear to control the weld pool shape are laser power, welding speed, laser pulse power and laser pulse duration. The interaction between these variables were experimentally studied and an artificial neural network was constructed. Typical calculations from the neural netwrok are shown below.
• Effect of welding speed • Effect of laser power • Effect of laser pulse energy • Effect of laser pulse duration
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Figure: BMW series 5 rear suspension system
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材料加工的计算机模拟与仿真
Hypermesh modeling of the wing of rear axle system
熔池中气体的吸收 各种氧化物氮化物的形成及其作为非均质核心的可能 凝固－熔质元素分布（偏析）凝固组织大小，结晶路径，BTR区间等
• 结构部分
– 热过程－温度分布，预测热影响区大小，冷却时间，Tmax，th，t8/5等 – 力过程－应力应变过程，残余应力和变形，预测裂纹，控制残余应力和变形 – 冶金过程－晶粒长大，相变，氢扩散，接头组织性能预测，冷裂敏感性预测等 – 接头性能与服役行为－不均质、存在缺陷、残余应力－断裂行为（韧性，强度，
• Simulation with flat electrode Simulation with radius of electrode = 156 mm Simulation with radius of electrode = 35 mm Simulation with radius of electrode = 35 mm (but with 0.1 times contact resistance)
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Figure: Solid Hypermesh model of the part
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材料加工的计算机模拟与仿真
Simulation of welding distortion and residual stresses
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材料加工的计算机模拟与仿真
Thermal - Electrical - Mechanical Interactions of RSW
Three way coupled model allows one to depict the effects of electrode curvature on the weld development.
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材料加工的计算机模拟与仿真
焊接数值模拟的研究：电弧焊
• 电弧部分
– 流场、温度场、电场 – 研究各种工艺参数（电流、电压、弧柱气氛，电极伸出长度等等）对温度场，电
流密度，压降分布以及熔滴过渡过程的影响规律
• 熔池部分
– 熔池形状 – 流场、温度场，主要研究成分和工艺因素对熔池形状的影响，针对焊缝形状控制 – 冶金过程
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材料加工的计算机模拟与仿真
焊接数值分析的内容
• 焊接熔池中的流体动力学和热过程 • 热源与金属的相互作用
– 焊接电弧物理，焊接电弧的传热与传质
• 电弧作用于熔池表面的热能和压力分布 • 熔池表面的变形 • 液态金属的蒸发 • 氢及氮氧等在熔池及环境之间的分配
• 焊接冶金和焊接接头组织性能的预测，包括相变过程 • 焊接应力与变形 • 焊接过程中的氢扩散 • 特种焊的数值模拟
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材料加工的计算机模拟与仿真
焊接数值模拟：其他加热工艺
• 热处理
– 包括焊后热处理等对应力和变形的影响等等
• 热校核
– 焊后产生变形，用局部加热的方法校正，研 究加热部位，加热量等因素的影响
• 热成形
– 确定加热部位，热源强度，加热时间等等； 可以实现变形的精确控制
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材料加工的计算机模拟与仿真
Aluminium welding of BMW suspension parts
At BMW, SYSWELD is used to predict distortions and residual stresses on welded aluminum frame parts. An example is the wing of the rear axis system of a BMW series 5. The wing is made out of three hydroformed, thick-walled aluminum parts which are welded together by 8 welding joints in a certain sequence.
材料加工的计算机模拟与仿真
焊接过程的数值模拟
• 概述
– 焊接过程数值分析的内容 – 焊接过程的特点 – 焊接过程中温度－应力和变形－组织转变
的关系 – 焊接过程数值分析的主要困难
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The simulation gives excellent results on distortions and residual stresses, in comparison with a large series of measurements. The predicted distortions have been within the range of the distortions accessed at the production.
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材料加工的计算机模拟与仿真
Industrial welding processes
spot
welding
Electron beam welding GTA welding MIG welding
Laser welding
Multipass submerged istortions after unclamping, values strongly amplified
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