在 Abaqus利用单元生死进行焊接模拟
目录
焊接是一个复杂的热机械过程，会在材料中产生残余应力和变形。在 Abaqus 中，模拟焊接过程的常用技术之一是生死法 (Birth-Death method) ，该方法通过顺序激活有限元来模拟材料沉积。该方法通常与 Fortran DFLUX 子程序结合使用，以基于 Goldak 的双椭球模型定义移动热源。
本文提供了有关在 Abaqus 中实施单道焊接模拟的生死法 ，使用 DFLUX 子程序中的 Goldak 热源模型的详细指南。
焊接理论背景
Goldak 双椭球热源模型
采用 Goldak (1984) 首次提出的双椭球形体积热源进行模拟
MIG、TIG 等焊接工艺
Goldak 模型广泛用于表示焊接仿真中的热通量分布。该模型将热源分为两个区域：
前椭球体（高穿透区域）
后椭圆体（热量分布更广）
每个区域的体积热通量由下式给出：
前热源后部热源
这里：
总输入功率（W）
前后热量分布因素
椭圆体的形状参数
热源坐标
热源参考位置
单元生死
该方法通过在不同时间步骤激活元素来模拟焊接材料的沉积。
首先，焊接元件处于停用状态 （热导率低或被移除）。
随着热源的移动， 元素逐渐被激活 。
Fortran DFLUX 子程序用于定义与时间相关的热输入。
Abaqus 中的焊接实现
步骤 1：Abaqus 中的模型设置
在 Abaqus 中创建平板几何体 。
定义材料特性 （热导率、密度、比热、弹性、塑性）。
将焊接路径划分为单独的元素集 （例如，
Weld_Pass1）。使用焊接区域的细元素对模型进行网格划分 （建议使用 C3D8T 元素）。
步骤 2：定义出生和死亡元素
首先使用
*MODEL CHANGE, REMOVE停用焊接区域。使用
*MODEL CHANGE, ADD在不同步骤激活元素。
例子：
** Deactivate weld elements initially*MODEL CHANGE, REMOVEWeld_Pass1** Activate weld elements in Step 1*MODEL CHANGE, ADDWeld_Pass1
步骤 3：Fortran DFLUX 子程序
DFLUX 子程序实现了 Goldak 的热源方程。
SUBROUTINE DFLUX(FILM,COORDS,JTEMP,TEMP,TIME,DTIME,NOEL,NPT,1 LAYER,KSPT)INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'DOUBLE PRECISION FILM, COORDS(3), TEMP, TIME(2), DTIMEINTEGER NOEL, NPT, LAYER, KSPT, JTEMP! Heat source parametersDOUBLE PRECISION Q, ff, fr, a, b, cf, cr, x0, y0, z0, x, y, zPARAMETER (Q=3000.0, ff=0.6, fr=0.4, a=6.0, b=4.0, cf=3.0, cr=5.0)! Heat source centerx0 = 5.0 * TIME(1) ! Moving along x-axisy0 = 0.0z0 = 0.0! Extract coordinatesx = COORDS(1) - x0y = COORDS(2) - y0z = COORDS(3) - z0! Compute front and rear heat fluxFILM = (6.0 * SQRT(3.0) * ff * Q / (a * b * cf * PI * SQRT(PI))) *1 EXP(-3.0 * (x**2 / a**2) - 3.0 * (y**2 / b**2) - 3.0 * (z**2 / cf**2))FILM = FILM + (6.0 * SQRT(3.0) * fr * Q / (a * b * cr * PI * SQRT(PI))) *1 EXP(-3.0 * (x**2 / a**2) - 3.0 * (y**2 / b**2) - 3.0 * ((z - z0)**2 / cr**2))RETURNEND
步骤 4：载荷和步骤定义
定义传热步骤 （
*HEAT TRANSFER）使用 DFLUX 施加热通量
包括冷却和机械分析步骤
例子：
*HEAT TRANSFER, STEADY STATE1.0, 100.0
步骤5：运行焊接模拟
保存 Abaqus 模型 。
编译 Fortran 子例程 (
abaqus job=weld user=dflux.for)。运行模拟并分析结果。
步骤6：后处理
使温度分布可视化。
绘制不同位置的热循环 。
检查残余应力和变形 。
结论
Abaqus 中的 “生死焊接”仿真通过按顺序激活单元有效地模拟了沉积过程。DFLUX 子程序与 Goldak 热源模型相结合， 可以精确捕获热量输入和分布。该方法有助于预测残余应力、变形和温度场 ，使其成为焊接仿真中非常有价值的工具。
