Abaqus案例分享(7)-电弧焊完全热力耦合分析

焊接过程是一个典型的热力耦合过程，而对其的数值模拟主要分为完全耦合（直接耦合）和顺序耦合（间接耦合）两种方式。本文通过完全耦合方法展示电弧焊的焊接模拟。从温度场到残余应力，我们将系统探讨整个仿真流程。

1. 焊接示例概述

本文以不锈钢薄板的 MIG 堆焊焊接为例，分析并模拟焊接过程中的温度场分布、焊后残余应力与变形情况。示例基本信息如下：

1）工件尺寸：平板长150 mm，宽 100 mm，厚 3 mm；

2）MIG 堆焊焊接工艺参数：焊接电流 I=50A；电压 U=20V；焊接速度 v=300mm/min；焊接热源的热效率为 0.85；

3）由于薄板特性，采用表面高斯热源分布模拟焊接热量。

在本示例中，采用SI(mm)（即 mm-t-s-K）单位制。

2. 仿真过程

1. 几何模型

几何模型采用三维实体模型，焊接方向沿平板长边方向。

2. 材料参数

在进行完全热力耦合分析时，需要同时定义热学材料参数（如热导率、密度、比热容等）和力学材料参数（如杨氏模量、塑性性质、热膨胀系数等）。考虑到焊接过程中平板的温度变化范围较大，而材料性能通常随温度发生变化，因此有必要将材料参数定义为与温度相关的属性，以更真实地反映材料在实际工作状态下的性能变化。

3. 分析步

定义三个分析步：

1）焊接过程：完全热力耦合分析步，模拟夹具约束下的焊接；

2）冷却过程：完全热力耦合分析步，模拟夹具约束下的自然降温；

3）释放夹具：静力学分析步，模拟去除夹具约束后，工件最终状态的变形与残余应力。

考虑到完全热力耦合分析中可能存在大变形问题，需要打开非线性几何选项 (Nlgeom) 以提高模拟精度。

由于焊接热流集中，温度变化剧烈，从而导致应力场的显著变化，需要设置为较小的增量步才能保证收敛：

1）初始增量大小（Initial Increment Size）：0.001； 2）最小增量（Minimum Increment Size）：1e-6； 3）最大增量（Maximum Increment Size）：0.2，在冷却分析步中，由于温度变化趋于平缓，可以适当将该值设置得更大一些，例如 10，这种调整能够提高计算效率，同时确保结果的准确性。

4. 相互作用

在焊接过程中，平板与环境的热交互主要包括辐射与对流：

1）辐射：环境温度为 293K，平均发射率为 0.7。需要注意，当定义辐射时，必须定义绝对零度值和 Stefan-Boltzmann 常数。

2）对流：环境温度为 293K，对流系数为 0.02     。

5. 载荷与边界条件

5.1 载荷

焊接热流采用表面高斯分布模型，其热流密度分布表达式为：

由于该热流分布较为复杂，在 Abaqus 中需采用子程序 DFLUX 模拟焊接热源。焊接分析步上施加表面热流载荷 (Surface heat flux)，冷却分析步则移除该热流。

5.2 约束条件

在焊接与冷却模拟过程，对平板上下边缘中心区域施加夹持约束。

在释放夹具模拟过程，去除上述约束，并在平板底部中心节点的施加固定约束，以避免刚体 位移。

5.2 初始温度场

为准确模拟温度梯度及其扩散过程，初始温度场被设置为 293 K。

6. 网格

中心区域温度梯度较大，采用非均匀偏置划分网格：垂直焊接方向中心区域网格尺寸 1 mm，外围区域 3mm；纵向焊接方向网格尺寸 1 mm；厚度方向划分 4 层网格。模型采用一阶六面体 C3D8RT 单元，共划分网格数为 32400。

7. 提交作业

在提交作业时，须指定子程序文件。

8. 计算结果

8.1 温度结果

从焊接启动到冷却结束，各阶段温度变化见 GIF 动图。

板焊缝中心某点的温度随时间变化曲线清晰地展现了焊接升温、降温直至稳定的过程。

8.2 位移云图

焊接完成后，平板表现为长度方向边缘中心向上弯曲，横向边缘中心向下弯曲，表明热应力集中导致的“角变形”现象。

8.3 应力云图

纵向残余应力 (S11) 的云图和焊缝垂直截面分布曲线展示出应力集中区域。

横向残余应力 (S22) 则反映了焊缝路径方向的受力特点。