Abaqus案例分享(8)-电弧焊顺序热力耦合分析
在先前的《Abaqus案例分享(7)-电弧焊完全热力耦合分析》一文中，已介绍了以完全热力耦合方法模拟焊接过程的方法和结果。本文将介绍顺序热力耦合方法模拟电弧焊接过程的具体实施步骤，并与完全热力耦合方法的计算结果进行对比分析。
顺序热力耦合方法分为两个步骤：
1）使用纯传热分析模拟计算焊接温度场； 2）将焊接温度场结果作为输入，进行应力场的力学分析。
模型设置要点
1. 传热分析
在传热分析部分，需要完成如下设置：
分析步
创建两个纯传热分析步：1）焊接阶段：模拟焊接过程中热输入的过程；2）冷却阶段：模拟焊接完成后的自然冷却过程。
网格
在传热分析中，应选择 DC3D8 单元用于模拟传热行为。
2. 力学分析
随后，在力学分析中需完成以下设置：
分析步
创建三个力学仿真分析步：1）焊接过程：模拟夹具约束下的焊接；2）冷却过程：模拟夹具约束下的自然降温；3）释放夹具：去除夹具约束后，工件最终状态的变形与残余应力。
网格
力学分析的网格可采用传热分析已划分的网格，但将单元类型更改为适合力学分析的 C3D8R 单元。
温度场
力学分析中的温度场应来源于传热分析的计算结果。通过设置预定义场 (Predefined Field)，将热分析中的温度结果作为输入，驱动力学响应。
计算结果
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。由温度曲线对比可知，使用顺序耦合方法所得结果与完全耦合方法基本一致。
位移结果
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。由下图可以看出，使用顺序耦合方法模拟得到的变形与完全耦合方法稍有差异，但变形分布基本一致。
残余应力
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。顺序耦合方法所得 S11 分布曲线与完全耦合方法基本一致。
横向残余应力 (S22) 则反映了焊缝路径方向的受力特点。顺序耦合方法所得 S22 分布曲线与完全耦合方法基本一致。
3. 计算时间
本次采用工作站笔记本进行仿真计算，调用 4 核并行，计算时间如下表所示。
4. 总结
对于常规应用中的电弧焊，无论是温度场还是位移场、应力场，顺序热力耦合与完全热力耦合的计算结果都较为一致。然而，顺序耦合方法的计算效率显著高于完全热力耦合方法，所需计算时间大幅减少。因此，在满足精度要求的情况下，顺序耦合方法更适合用于电弧焊的常规分析，可有效平衡计算精度与效率之间的需求。
