ABAQUS焊接领域解决方案

ABAQUS焊接领域解决方案Q焊接领域解决方案焊接变形预测的重要性焊接是船舶制造最主要的加工手段，焊接水平的高低在很大程度上决定了船体的质量和生产效率，而焊接变形又是焊接过程中最难控制的一环。中最焊接变形的影响：‹焊接结构形状变异，尺寸精度下降；‹承载能力降低；‹承载能力降低；‹船体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果失效；‹船舶结构疲劳降低‹船舶结构疲劳降低。因此，对焊接变形的预测及控制已成为船舶生产中迫切需要解决的重要课题。自自始始至至终终安安心心托托付付4国内外焊接变形的预测方法1.经验（试验）法经验（实验）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和数据曲线来估计焊缝的收缩量和角变形量。局限性：z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变形模式上；z实验受到时间和成本的限制。真实结构的复杂焊接变形是由多个基本变形组合而成的。每个基本变形不可能通过有限的实验结果来区分。自自始始至至终终安安心心托托付付5国内外焊接方法的预测2解析法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些假定的基础上局限性：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连接的工艺过程。自自始始至至终终安安心心托托付付6国内外焊接方法的预测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的组合已成为线性问题及塑性破坏等非线性问题解析非线性有限元应力解析的组合，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。个焊接过程的某方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识。z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）。z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。z应用范围：预测焊接温度场、焊接残余应力、大型结构的焊接变形以及焊缝和热影响区组织的预测。及焊缝和热影响区组织的预测。自自始始至至终终安安心心托托付付7国内外焊接方法的预测焊接数值模拟实际上就是热传导有限元解析法和非线性有限元应焊接数值模拟，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的组合。由此，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应变和应力的计算即应力解析B）在变化的温度场下地位移、应变和应力的计算，即应力解析。有有焊接数值模拟主要包括固有应变法和热弹塑性有限元法。自自始始至至终终安安心心托托付付8主要内容国内外焊接变形预测方法1国内外焊接变形预测方法1固有应变焊接预测法23基于热弹塑性理论的焊接预测法4Ab针对焊接行业的解决方案4Abaqus针对焊接行业的解决方案自自始始至至终终安安心心托托付付9固有应变法（1）固有应变在低合金高强钢焊接时，固态相变常发生在弹性丧失温度以下，必须考虑相变时体积膨胀引起的应变变化因此焊接应力是热应变塑性须考虑相变时体积膨胀引起的应变变化。因此焊接应力是热应变、塑性应变以及相变应变综合影响的结果。热应变、塑性应变和相变应变都是焊接应力产生的根源.所谓固有应变可以看成焊接残余应力之源物体处于即无外力又无所谓固有应变可以看成焊接残余应力之源，物体处于即无外力又无内力的状态下作为基准态，固有应变表征从应力状态切离后处于自由状态时，与基准态相比所发生的应变。焊接时，固有应变包括塑性应变、温度应变和相变应变。焊接结构经过一次热循环后，温度应变为零，则固有应变是塑性应变和相变应变的残余量之和。若已知给定焊接过程的固有应变，使用线弹性有限元代替热弹塑性焊有，弹有替弹有限元求解焊接残余应力和焊接变形，这就大大缩短了计算时间。核心要求：要用固有应变法计算复杂结构的残余变形，需要建立一个庞大的固有应变数据库。这个数据库是建立在热弹塑性有限元分析和个庞大的固有应变数据库。这个数据库是建立在热弹塑性有限元分析和实验以及长期的经验积累的基础上的。自自始始至至终终安安心心托托付付10固有应变法若已知给定焊接过程的固有应变，使用线弹性有限元代替热弹塑性有限元求解焊接残余应力和焊接变形，这就大大缩短了计算时间算时间。核心要求：要用固有应变法计算复杂结构的残余变形，需要建立一个庞大的固有应变数据库。这个数据库是建立在热弹塑性有限元分析和实验以及长期的经验积累的基础上的。自自始始至至终终安安心心托托付付11固有应变法基于固有应变理论预测焊接变形基于固有应变理论预测焊接变形1.建立理想条件下船体焊接接头固有应变数据库；2.建立有限元模型；3.以基于固有应变有限元焊接专用软件WSDP为基础，利用建立的固有应变数据库，直接对船体有限元模型的焊接进行计算.z对于不同的结构要利用WSDP软件进行焊接变形预测计算，对于不同的结构要利用WSDP软件进行焊接变形预测计算，必须先要建立固有应变数据库，这是进行焊接变形预测计算的重要和关键一环。z对于典型焊接接头的焊接可通过热弹塑性有限元法进行计z对于典型焊接接头的焊接，可通过热弹塑性有限元法进行计算。通过该方法得到其焊接变形，即得到典型焊缝的固有应变。z除此之外可利用其他行业的经验如机车行业用WSDPz除此之外，可利用其他行业的经验，如机车行业，用WSDP软件对焊接变形进行分析，得出其焊接变形量。再根据生产工艺条件和实际生产过程中积累的大量经验数据对固有应变基础数据库进过计算到的数据实生产中的基础数据库进行修正；通过计算得到的数据和实际生产中的数据进行对比，修正固有应变数据库。自自始始至至终终安安心心托托付付12固有应变预测焊接变形流程生成三维模型模型简化生成有限元模型有限元模型导入Weld‐Sta软件z设置焊缝信息z导入加载材料参数有限元模型导软件求解计算z添加焊缝顺序z施加边界条件求解计算（焊接变形计算、补偿余量预测）自自始始至至终终安安心心托托付付13结果分析固有应变法的流程自自始始至至终终安安心心托托付付14主要内容国内外焊接变形预测方法1国内外焊接变形预测方法1固有应变焊接预测法23基于热弹塑性理论的焊接预测法4Ab针对焊接行业的解决方案4Abaqus针对焊接行业的解决方案自自始始至至终终安安心心托托付付15热弹塑性有限元法（2）热弹塑性有限元法跟踪整个焊接过程，以给定的时间步长，计算出每一时刻焊接温度场以及计算出每个时间段由于温度变化引起的应力应变增量逐步累场，以及计算出每个时间段由于温度变化引起的应力应变增量，逐步累计叠加，最终得到的则为残余应力与变形。优点：综合考虑焊接过程的几何非线性、材料非线性和状态非线性，考虑显微组织转变与液固相转变对热力过程的影响研究移动热源作用考虑显微组织转变与液固相转变对热力过程的影响，研究移动热源作用下的瞬态温度场、热应力场与变形场。自自始始至至终终安安心心托托付付16热弹塑性有限元法局限性：z由于焊接热弹塑性有限元计算过程是个典型的非线性过程，矩阵方程奇异性大使得收敛困难需要经过多次迭代才能达到阵方程奇异性大，使得收敛困难，需要经过多次迭代才能达到必要的收敛精度；z同时采用热弹塑性有限元法需要跟踪整个焊接及冷却过程，这使得热弹塑性有限元分析计算量非常庞大长期以来该方法仅使得热弹塑性有限元分析计算量非常庞大，长期以来该方法仅适用于一般焊接接头的力学行为分析，很少用于大型复杂结构的焊接变形研究。需求要做到精确分析焊接变形仍然需要大力开展热弹塑性有限需求：要做到精确分析焊接变形，仍然需要大力开展热弹塑性有限元的理论基础和实际应用研究，特别是在单元技术的开发、网格划分技术（动态可逆的自适应网格技术）、多道焊组合处理、多台计算机并行计算、相似理论等方面的研究，以提高热弹塑性有限元分析的计算速度和计算精度。（对软硬件提出要求）自自始始至至终终安安心心托托付付17热弹塑性有限元法焊接残余应力焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力，焊接完成后残留在焊件结构件内部的焊接应力之为焊接残余应力焊件结构件内部的焊接应力之为焊接残余应力。焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。焊接应力按其发生源来区分，有如下2种情况：z直接应力是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时的温度梯度，也就是热胀冷缩原理，是形成焊接残余应力却时度梯度，是热胀冷原，是形成焊残余应力的主要原因。z组织应力是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比热容变化而产生的应力。焊接残余应力是由多种因素交互作用而容变化而产生的应力。焊接残余应力是由多种因素交互作用而形成的结果。自自始始至至终终安安心心托托付付18热弹塑性有限元法热弹塑性有限元分析的求解过程是：首先把构件划分成有限个单元，然后逐步加上温度增量（焊接时的温度场预先算出）。每次温度增量加然后逐步加上温度增量（焊接时的温度场预先算出）。每次温度增量加上后，可求得各节点的位移增量。再根据应力应变关系，可求得各单元的应力增量。这样就可以求解整个焊接过程中动态应力应变的变化过程和最终的残余应力和变形的状}{δd整个焊接过程中动态应力应变的变化过程和最终的残余应力和变形的状态。热弹塑性问题是一个热力学问题，在热弹塑性分析时有如下一些假定定：⑴材料的屈服服从米赛斯（VonMises）屈服准则；⑵塑性区内的行为服从塑性流动准则和强化准则；⑶弹性应变塑性应变与温度应变式不可分的；⑶弹性应变、塑性应变与温度应变式不可分的；⑷与温度有关的力学性能、应力应变在微小的时间增量内线性变化。自自始始至至终终安安心心托托付付19两种方法的综合对比对比与总结热弹塑性有限元法不仅可以模拟焊接结果，而且可以模拟焊接过程中热、力及变形和应变的变化；而固有应变理论忽略焊接过程中热、力及变形和应变力及变形和应变的变化；而固有应变理论忽略焊接过程中热、力及变形和应变的随时间的变化，只关注焊后应力和应变的结果。z热弹塑性有限元法利用3D板单元建立有限元模型基于热弹塑性理论方法不仅可以在较短时利用3D板单元建立有限元模型，基于热弹塑性理论方法不仅可以在较短时间内最终计算出结果，并且具有较高的精度。z固有应变作为一种近似的手段基于固有应变理论方法模拟大型复杂结构焊接过程作为种近似的手段，基于固有应变理论方法模拟大型复杂结构焊接过程简单，不需要耗费大量的计算机资源，适宜生产条件下的应用。但该方法依赖于相应结构的固有应变数据库，所以在利用固有应变法之前，需建立具有较高精度的固有应变数据库。这就需要典型焊接接头的焊接计算结果及大量实际经精度的固有应变数据库。这就需要典型焊接接头的焊接计算结果及大量实际经验，同时需借鉴其他行业的焊接结果。对固有应变数据库的修正、完善是一个长期过程。自自始始至至终终安安心心托托付付20两种方法的综合对比计算方法解析法固有应变有法热弹塑性有限元分析方法原理焊接热传导理论、结构力学理论固有应变理论、FEM塑性流动法则、虚功原理、FEM实施步骤分析焊接构件几何参数及焊接规范参数划分网格；加载固有应变、非线性大变形弹性有限元分析划分网格；焊接温度场的模拟；焊接；热弹塑性分析数弹性有限元分析热弹塑性分析计算特点需经验及试验数