Simufact Welding焊接工艺-结构一体化仿真分析方案

前 言  

焊接工艺广泛应用于机械、建筑、船舶、航空航天等领域，是连接材料的关键工艺之一。通过加热、加压或两者结合的方式，使金属或非金属材料在局部形成原子或分子间结合。焊接工艺会直接影响结构的强度，因此如何准确评估焊接工艺对结构性能的影响成为关键因素。随着数值计算工具功能的日益强大，焊接结构的强度分析趋向于基于FEM计算工具完成全流程评估的方向，即首先基于FEM完成焊接仿真，然后将焊接仿真的残余应力导入结构分析中，最终完成对焊接结构强度的评估。海克斯康凭借其在焊接仿真、工艺映射、结构仿真方面的优势和经验积累，形成一套针对焊接工艺-结构一体化仿真分析的解决方案，以帮助用户高效、准确地评估焊接产品最终性能。

 

 

 

PART.01分析工具介绍

▶Simufact Welding工具软件

Simufact Welding是一款专业焊接仿真软件，提供多种算法模拟激光焊、MIG、TIG、MAG、真空电子束焊、电阻焊、氩弧焊、钎焊等焊接工艺过程，采用瞬态热-结构耦合方法可以综合考虑各种焊接工艺参数（例如：电流、电压、焊接速度、材料、工装夹具的作用形式和撤离时间、冷却时间、焊接顺序、焊缝、焊点位置等）对焊接质量的影响。

 

 

图2. Simufact Welding可以模拟多种焊接工艺过程

 

Simufact Welding可以进行变形量、应力场及温度场等信息的动态显示，包括焊接过程中任意节点的温度、变形、变形分量、热应力、应力分量等结果。

 

▶Digimat工具软件

Digimat是一款多尺度复合材料性能预测软件，能够帮助用户在材料微观结构，制造工艺和宏观结构性能等方面进行预测和分析，从而帮助用户加快复合材料部件的研发流程。

 

 

图3. 多尺度复合材料仿真平台Digimat

 

Digimat提供两种应用模式：工具和解决方案。工具模块是Digimat的核心功能，它们既可以独立运行，也可以作为解决方案的一部分（部分功能）发挥作用。解决方案是针对特定应用领域或行业的一体化解决方案，这些方案采用Step-by-Step设置模式，方便用户快捷地完成各步骤的设置和仿真分析。例如本文用到的工艺结果映射工具模块Digimat-MAP和有限元联合仿真分析模块Digimat-CAE，就集成在解决方案Digimat-MS里面，而Digimat-MS则是多尺度耦合分析集成解决方案，该方案将工艺分析与结构分析集成，通过将工艺分析结果映射至结构分析模型，完成后续的结构分析。

 

▶MSC Nastran工具软件

MSC Nastran是一款高度可靠性结构有限元分析软件，拥有众多领先的求解功能，尤其在动力学方面，可以快速的得到准确的分析结果。MSC Nastran具有多学科分析，可为用户提供针对各种工程问题的一体化结构分析解决方案。MSC Nastran能够有效解决各类大型复杂结构的强度、刚度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、声学、流体-结构耦合、气动弹性、超单元、结构疲劳、惯性释放及结构优化等问题。

 

 

图4. MSC Nastran多用途有限元分析程序

 

PART.02 焊接工艺-结构一体化仿真工作流程

为了考虑焊接工艺对焊接结构强度的影响，本文给出一种焊接工艺-结构一体化仿真分析的工作流程。该流程可实现金属结构焊接工艺仿真分析，将焊接工艺仿真结果自动引入结构仿真分析中，保证焊接结构仿真模型与实际状态的一致性，从而提高焊接结构强度分析的精度。

 

 

图5. 焊接工艺-结构一体化仿真分析工作流程。

 

上述仿真分析流程包含3个步骤：

01结构焊接工艺仿真；

02焊接工艺结果映射；

03耦合结构仿真分析软件MSC Nastran，通过istress关键字引入焊接残余应力完成最终结构分析，从而考虑焊接残余应力的影响。

 

其中，焊接工艺仿真可以在工艺仿真软件Simufact Welding中进行，分析完成后获得焊接工艺结果，包括残余应力、变形分布、温度场等。上述焊接工艺仿真结果可以通过Digimat软件的工艺结果映射功能，将焊接工艺的仿真结果映射至结构有限元网格上，从而保证结构仿真时的初始状态与结构工艺完成后的状态保持一致。最终通过商用有限元软件MSC Nastran完成焊接结构的刚度、强度等仿真分析，获得产品的性能。

 

PART.03 完整工作流程演示案例

本文以平板焊接接头结构为例，演示接头结构的焊接工艺仿真、焊接后残余应力映射以及最后结构耦合仿真分析的整个工作流程：

 

01通过Simufact Welding完成接头的焊接仿真，获得的焊接工艺仿真结果包括：残余应力、变形场、温度场。

 

02通过Digimat-MAP的工艺映射功能，将接头焊接工艺过程的残余应力结果映射到结构有限元网格上（Digimat-MAP也支持将变形场和温度场的映射），最终导出映射完成的残余应力关键字。

 

03耦合结构仿真分析软件MSC Nastran，通过istress关键字引入焊接残余应力完成最终结构分析，从而考虑焊接残余应力的影响。

 

平板接头结构焊接工艺仿真结果如下图所示，显示了焊接完成后的残余应力分布情况。

 

 

图6. 平板接头焊接工艺仿真残余应力结果

 

基于焊接工艺仿真结果（Arc文件），Digimat-MAP模块可读取残余应力结果，将上述工艺结果映射至MSC Nastran的结构网格上。

 

 

图7. 映射至MSC Nastran结构模型中的残余应力场

 

 

 

图8. Digimat-MAP完成焊接仿真残余应力映射，导出MSC Nastran的istress文件

 

将上述映射的MSC Nastran初始应力文件添加到平板接头结构仿真分析模型中，设置如下：

 

▶考虑残余应力模拟的有限元非线性分析计算，求解序列设置：SOL 400

▶材料类型：从Simufact Welding软件导出非线性曲线，弹塑性模型

▶工况设置：残余应力分析，计算平板接头结构在焊接残余应力情况下的应力恢复情况。

 

以焊缝附近施加100000N的单点力为工作载荷，约束平板3顶角处节点。

 

 

图9：MSC Nastran结构分析中的外载荷设置

 

对比仅施加单点载荷、引入焊接残余应力载荷等工况下的计算结果如下图：

 

 

 

图10. 仅施加工作载荷 vs 同时引入焊接残余应力

 

通过上图结果可以观察到，若仅施加工作载荷（上图：常规MSC Nastran有限元计算），其计算结果与同时考虑到焊接工艺的残余应力的情况（下图：Simufact Welding-DigimatMap-MSC Nastran焊接工艺结构一体化仿真）有较大差异。

 

在完成上述应力恢复的计算分析后，可以进一步对焊接部件进行强度、刚度、动力学等各类结构仿真分析。

 

总结

基于焊接工艺-结构一体化仿真分析工作流程，可实现在焊接结构有限元仿真分析中考虑焊接工艺的影响，从而使仿真更加贴近产品的真实工艺情况，仿真结果更加准确。

 

上述流程可用于焊接结构的刚度、强度、动力学等各类结构仿真分析，进一步也可以结合海克斯康疲劳仿真分析工具CAEfatigue进行后续的焊接结构疲劳分析：在CAEfatigue中，可以将MSC Nastran中的残余应力设置为静态应力偏置，从而在疲劳寿命评估时考虑焊接残余应力的影响，以获得产品更为准确的疲劳寿命分析结果。

 

最后，Digimat中的映射功能可将多种工艺仿真结果（包括焊接、模流、金属铸造、冲压、复合材料RTM、AFP等）以及CT扫描实际结果映射到结构有限元网格上，上述焊接工艺-结构一体化仿真分析工作流程也可以扩展到各类工艺-结构一体化仿真分析流程，从而使产品结构仿真结果更加准确。