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专题文章2.在Marc和abaqus中进行激光焊接仿真的模拟

4年前浏览7645

焊接是门古老的工艺,早在公元前3000多年埃及出现了锻焊技术,公元前2000多年中国的殷朝采用铸焊制造兵器,公元前200年前,中国已经掌握了青铜的钎焊及铁器的锻焊工艺。近代的焊接工艺开始于19世纪末,先后由法国,美国等人发明了各种焊机。大约1912年,美国福特汽车公司为了生产著名的T型汽车,在自己工厂的实验室里完成了现代焊接工艺。后各个国家的科研工作者及公司陆续发展各种各样的焊接技术,如激光焊,摩擦焊,电阻焊,搅拌摩擦焊等,丰富了焊接工艺,并使焊接工艺得到了更加广泛的应用,现在的汽车的白车身生产,自动化的焊接线已经成为标配。

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图1 古代铸焊示意图

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图2 白车身焊接生产线

焊接仿真技术的发展,受限于计算机硬件的发展,在20世纪30年代,才由前苏联的雷卡林,系统的研究了焊接传热问题,建立焊接传热学的理论基础,将焊接热源简化为点、线、面热源进行仿真。之后的焊接仿真发展日新月异,其中作为焊接仿真中应用最广的双椭球热源,是在1984年由加拿大学者Goldak提出的。为了解决大构件的焊接变形快速仿真,1989年日本学者Ueda等提出了固有应变概念,该方法通过对固有应变进行计算,然后将其施加在焊缝进行一次弹性有限元分析,经过计算机的求解就能得到整体构建的焊接变形。发展到现在,已经有很多的软件可以实现三维的焊接仿真了。

对于激光焊接来说,其本质与普通的弧焊并没有太大的区别,比较不同的焊接热源的选择。普通的焊接一般选择Goldak的双椭球热源就可以了,但是激光焊接由于激光的种类,功率,焊接表面情况的原因,热源模型选择差异性比较大。目前以4种热源模型比较常见,分别是:

ü  圆锥体热源模型

ü  高斯旋转体热源

ü  “高斯面+圆锥体”复合热源模型

ü  “高斯面+圆柱体”复合热源模型

本次仿真所讨论的是高斯面+圆柱体的复合热源模型,模型示意图和函数表达式如下图:

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图3 热源模型和函数表达式

在这里列举些常见的焊接仿真工具:

MSC.marc, abaqus , ansys , sysweld , simufact.welding , fluent , ......

以上列举的是国际上比较常用的软件,国内也有些公司开发了相关的软件,但由于种种原因,应用范围较小,技术也与现有软件存在不小的差距,生存现状堪忧,希望他们能够继续发展,这里不做讨论研究。对于列举的软件,各有特点,很难说谁的好谁的坏,在焊接仿真的准确度上也是一样,各有特点。本文涉及到的两个软件MARC和abaqus也是一样,各有特点。

对于MARC,曾经一款很牛的软件,现在几乎变成小众软件了,只有哈工大,南航等学校已经商飞等有限几个公司在使用,这几年marc的日子不太好过,先后随着主人msc被转手多次,现在被海克斯康收购,在发展的道路上起起伏伏。用的不多的原因还包括现在的教材较少,有限的几个教材还是基于老版本编写的,使用起来很不方便。但这些都是外表,对于焊接仿真而言,marc还是很不错的,有着自己的焊接模块,对于普通的焊接分析来说,用起来非常方便,另外该软件在求解的收敛性上也非常不错。

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图4  Marc 界面

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图5  焊接模块与焊接子程序

虽然Marc中有图5中的焊接模块,但是复合热源模型需要使用子程序来实现。推荐的子程序组合:marc2019+visualstudio2017+IntelParallelStudioXE2019。在子程序的选择上,可以用Uflux或Uweldflux。本文使用的是Uflux。

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图6  Marc中Flux焊接子程序

在子程序中,核心是对热源的施加,marc中采取的方法是通过对边界条件名称的判断来选择不同的热源模型。最终的焊接云图如图7所示:

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图7  Marc中焊接云图

Abaqus软件,和marc软件有着很深的渊源,其创立者之一是MARC创立者Pedro Marcal的学生。因此几乎marc能实现的功能abaqus都可以实现,反之亦然。但是abaqus的发展要比marc好点,在2005年被达索收购后,达索在前后处理方面给与了abaqus很大的增强,并且在软件推广等方面做了很大的贡献,目前市面上abaqus的教材非常的多,非常有助于abaqus的学习。

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图8  abaqus界面及热源施加

图8是abaqus的界面及热源施加。由于abaqus中没有单独的焊接模块,所以热源的施加只有一种方式,就是以子程序的方式。无论是双椭球热源还是本文的焊接复合热源。

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图9  abaqus中Flux焊接子程序

在子程序中,核心是对热源的施加,abaqus中采取的方法是通过对JLTYP的定义的判断来选择不同的热源模型。最终的焊接云图如图10所示:

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图10  abaqus 中焊接云图

 做个总结:无论使用marc还是abaqus,都是可以的,尤其是复合热源这种需要使用子程序的,差异几乎可以忽略。对于焊接的准确度问题,两个软件的求解方法稍微区别,marc使用的是解耦算法,abaqus有两种,一种是顺序耦合一种是完全耦合,各有优缺点,读者需要结合自己的模型自行选择,但是有一个步骤必须要做,就是热源的校核。只要热源校核没问题,结果大多都是可以接受的。

对于两个软件的焊接仿真,我再仿真秀平台录制了两个专题课程,可以供大家学习。

Abaqus焊接Marc生热传热代码&命令
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2020-03-06
最近编辑:4年前
幻想飞翔
硕士 | 高级工艺仿真... 每次归零重启,都是下次辉煌开始
获赞 311粉丝 3196文章 54课程 12
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未登录
1条评论
Alces
签名征集中
2年前
老师您好,您在焊接仿真领域的成就令我望尘莫及,我是一名在读研究生,关于您对于复合热源的课程我有一些疑问请您解决,在DFLUX中您使用JLTYP来判断是体热源还是面热源,但是我在国外许多仿真网站上都看到有一种声音,DFLUX限制只能添加一个热源,多热源需要用UMDFLUX,并且我本人也尝试过将您子程序中的面热源删除,与未删除的做了对比,发现仿真结果一致,在热量和应力上结果一致,所以我带着疑问来请教您
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