Marc焊接模拟设计

前言在现代工业生产中，人们经常要使用到厚板焊接这一技术，对焊接结构件而言，变形与残余应力的存在是无法阻止的事情，因此我们要通过模拟分析找到相应的办法，从而尽量阻止变形的出现与残余应力的形成。在焊缝区域由于拉伸应力的存在，从而焊接结构件比较容易形成残余应力，因而发生断裂，并使得焊接接头处的疲劳强度和稳定性都相应减小。运用分析模拟软件研究不同焊接顺序下的焊接结构件的温度及应力的分布状态，从而控制残余应力形成，保证焊缝质量。有限元数值模拟因为其低成本，高效率，以及不受构件复杂水平以及规模限制等特点，在工程设计中日益成为一种有力的剖析和设计工具，并得到大众们的应用。现在随着现代技术的飞速跨越、数值模拟技术的日益完善简化。对于新型的焊接材料和焊接结构，只要能测出焊接材料时我们所需的物理性能参数，并应用适当的约束就能够完整的模拟出它整个过程中的温度场和应力场，这样就能够很好的控制生产成本。然而就目前而言尽管焊接数值仿真模拟技术现在得到了空前的飞跃，但是若要立刻应用于实际生产则必须进行进一步的完善，这就需要所有研究者进行大批的实验验证和改善工作。本次实验的目的就是为了得到在厚板焊接中开X型坡口时不同的焊接顺序对焊缝质量的影响，以解决厚板焊接时焊缝出现的各种问题，得到更加优质安全的焊缝。本次实验，我们将以Marc软件为载体，进行模拟实验，经过对焊后温度场和应力场等所提供参数的分析，来选择出X型坡口焊接的最优焊接顺序。

1绪论1.1课题背景及意义焊接是母体和焊锡通过快速加热或加压焊接结构的局部区域，然后快速冷却形成永久连接，从而达到原子之间结合的过程。焊接作为一种常用的接合金属或其他热塑性材料的工艺，在现代工业生产中广泛应用，并占据着重要地位。由于焊接具有良好的密封性，连接强度大，结构简单，节省材料，基本不改变焊接结构件的原本形貌，便于加工，能够进行自动化生产等众多优势，因此焊接作为一种重要的材料结合工艺，被普遍地运用于机械加工及制造，船舶生产，大型钢结构建造，航空航天器材制造等领域的工业基础生产中。焊接是一个涉及到热学，电工学，力学和冶金等多门领域的复杂的工艺加工过程，所以焊接结构件总是会出现热裂纹、冷裂纹、气孔、夹渣、咬边、错边等一系列焊接缺欠。热裂纹是在固相线附近的高温区形成的裂纹，主要发生在晶界处，因为裂纹形成所需的温度比较大，所以在与空气接触的裸露部位表层有明显的氧化特征；冷裂纹一般指在较低温度下产生的裂纹，主要发生在中碳钢、高碳钢以及合金结构钢的焊接接头中，特别易产生在焊接热影区；气孔主要是由于熔池凝固时气泡未全部逸出而残留在焊缝中所形成的；夹渣是焊接完成后出现在焊缝中的熔渣形成的缺陷；焊接咬边是在焊接过程中焊接速度设置不合理，电流过大，焊条角度和摆动不正确造成的；焊接错边主要是装配不正确导致的。与此同时，由于焊接前后温度的快速转变，就一定会导致焊后出现明显的变形与残余应力，而残余应力和变形在现实生产过程中将会直接影响到焊接结构的稳定性与加工精度，使焊接结构的焊后大小发生更改，甚至会减少成品的使用寿命，造成不可挽回的生产安全事故。厚板焊接是焊接工业生产中不可或缺的重要技术，被普遍应用于航空航天、交通运输与大型机械工程之内。在厚板焊接中，为了保证工件能够完全焊透、便于清理焊后残渣、获得良好的焊缝，我们往往会选择在焊接区域开坡口。在普通情况下开坡口时，通常用机械加工的工艺加工出所需型面。根据焊件的厚度与需要，我们往往会选择不同的坡口类型，如V型、I型、U型、X型、Y型、双U型等。对于厚度小于6毫米的焊件则使用I型坡口焊接，对于厚度在7到40毫米的焊件就要使用V型或X型坡口焊接，而对于在12到60毫米厚的焊件主要使用X型坡口焊接，本次模拟实验主要研究板厚为12毫米的X型坡口焊接。1.2有限元法介绍1.2.1有限元法的特点由于焊接过程具有快速加热和冷却，材料相变，焊后变形和应力的特点，焊接过程的有限元分析具有以下特点[2]：三维模型、厚板焊接的三维热源、内部热传导和外部热损失、焊接的残余应力计算等需要使用三维模型，以更好地保证准确性；由于焊接过程是一个快速的加热和冷却过程，且热源位置在移动，模拟过程是高度瞬态的。温度场、应力场和应变场与位置和时间密切相关。焊接问题是一个热结构耦合问题。材料的热物理性质与温度有高度的非线性关系。焊接材料的熔化凝固速率和热输入对焊接后的变形、残余应力分布和组织分布有明显的影响。最高的焊接温度，冷却速度和材料对焊后的组织有显着影响，间接影响焊接结构的强度;1.2.2有限元法的应用有限元法适用性强，易掌握，灵活性高，分析能力强，无论是简单的线性问题还是复杂的非线性问题均能用其进行模拟研究，因而，有限元法在焊接温度场及应力场研究中也已经得到了普遍地运用。1.2.3有限元法的分析步骤1、连续体的离散化：将提出的物理系统规划成相应的有限单元系统。一维结构的有限元素是线段，二维连续体的有限元素是圆和四边形，三维连续体的有限元素可以是四面体、长方体或六面体。根据实际应用，开发了更多的单元，最典型的区别是是否有节点。应用程序必须确定单元的类型、数目、大小和排列，以便能够合理和有效地表示给定的物理系统。2、选择位移模型：假设的位移函数或模型只提供大约真实的位移分布。通常假设位移函数是多项式，最简单的情况是线性多项式。在实际应用中，任何多项式都不能与实际位移完全一致。用户需要做的是选择多项式的顺序，以便在他们能负担的计算时间内达到足够的精度。此外，还需要选择表示位移大小的参数，通常是节点的位移，但也可能包括节点位移的导数。3、元素刚度矩阵是由变分原理推导出来的：元素刚度矩阵是基于最小电势能量原理或其他由元素物质和平衡方程系数的几何性质推导出来的原始原因。单元刚度矩阵将节点位移与节点力相关联，并且由对象接收的分布力被转换为节点处的等效集中力。4、整个离散连续体的代数方程：将每个单元的刚度矩阵组装成整个连续体的刚度矩阵，将每个单元的节点力向量组装成总力和负载向量。最常用的原则是要求节点相互连接，即要求与节点关联的所有元素在该节点上具有相同的位移。5、位移向量的解是求解上述代数方程。这个方程可以是简单的，也可以是复杂的。例如，对于非线性问题，必须在解的每一步修正刚度和负载向量。6、节点的位移来计算单元的应力和应变，根据具体情况，可能需要计算一些其他的派生量，但这已经比较简单了1.3数值模拟的国内外研究现状1.3.1焊接温度场研究概况国内外研究者关于焊接热过程计算的研究大体上经历了两个阶段：解析法和数值模拟法。研究焊接热过程的解析法始于20世纪40年代，美国的Rosenthal和前苏联的Rykalin院士对焊接热过程进行了系统的研究[4]，给出了焊接温度场的解析解，形成了焊接热过程计算的经典理论—Rosenthal-Rykalin公式体系[5]。1997年，挪威理工大学,Grong将Rosenthal-Rykalin公式转化成无因次形式，得出一些分析结果图。但是，这些结果只在远离热源部位的温度场与实际结果接近，而在距离热源较近部位的温度场与实际相差甚远。这是由于Rosenthal-Rykalin公式假设：(1）热源是集中于点、线、面的理想热源；(2）不考虑材料的相变；(3）材料的热物理性能参数不随温度变化；(4）焊件的几何尺寸是无限的。这些与实际情况相差较大的假设直接造成了解析解的不准确[6]。解析法可以将影响焊接温度场的主要因素用物理意义清晰的公式表达出来。鉴于解析法的这种优点，直到2004年，仍有学者在对Rosenthal-Rykalin公式进行修正，但是由于Rosenthal-Rykalin公式本身固有的缺陷，很难全面修正，只能对其中一两个假设做出改进，无法从根源上解决问题。在二十世纪，经过六十年的发展，逐渐成熟的计算机技术极大地推动了数值模拟技术的发展，并使之成功应用于焊接热过程的模拟计算计算。数值分析方法能够综合考虑焊接过程中存在的复杂温度和位移边界条件，焊接材料热物理性能参数的非线性，材料的固态相变和液态相变等一系列的问题，具有解析法不可比拟的优势。因此，数值分析方法在以后的焊接温度场和应力场的分析研究中得到了广泛的应用。1966年Wilson和Nickell第一次在分析计算固体热传导问题时应用了有限元法[7]。1975年加拿大学者Poley和Hibbert成功编制了非矩形截面焊接坡口、U形和V形坡口单层焊接以及双层焊接的温度场计算程序，成为首次在焊接温度场计算中成功应用有限元法的研究者[8]。之后国内外的研究者对焊接过程温度场的数值分析方法做了大量的完善工作，例如Pardo应用有限元单元法建立了MIG焊接工艺的三维准稳态热传导模型[9]，模型中采用提高液态金属导热系数的方法来近似处理熔池对流对熔池形状的影响。美国的bathe在非线性热传输分析中，综合考虑了热对流、热传导、热辐射、熔化潜热，得出了相对全面的热平衡方程[10]。国内学者武传松针对以往研究只关注熔池热过程[8]，提出了熔池形态及其液体动力学特性对于焊接温度场计算的重要性。他先后成功对瞬态TIG焊熔池流畅和热场、GMAW焊接熔滴过渡动态过程、MIG/MAG焊接熔池形态进行了数值模拟。清华大学的鹿安理、蔡志鹏等在做了大量关于大型结构焊接变形数值仿真工作的基础上，提出分段移动热源的说。解决了以往大型结构因模型庞大带来的计算量大、收敛困难的问题，大大提高了大型结构的数值模拟计算效率。综上所述，国内外学者们经过一系列的研究工作逐步将焊接热过程的计算方法进行了完善，并最终得到了可以真实反映焊接热过程的数值计算方法。1.3.2焊接应力场研究概况国际上于20世纪30年代，开始了关于焊接热过程应力的研究，但研究只限于定性和实测性的。1936年Boulton提出了一维焊接残余应力的产生机理。1950年，前苏联学者奥凯尔布洛母等人以图解方式分析了焊接过程的热弹塑性及其动态过程。虽然这种方法只适用于简单焊缝的一维热应力分析[11]。1960年之后，计算机技术的成熟应用促进了焊接应力应变的数值仿真研究，美国Tall、Masubuchi等研究者经过多年研究编制出了应用于焊接热应力应变分析的FORTRAN程序。随后麻省理工学院[12]对其进行了完善，使之能进行理想弹塑性问题的计算和线性强化材料的焊接应力应变分析。20世纪70年代，研究者将焊接弹塑性理论与高性能计算机相结合，从而使焊接过程的应力应变仿真与理论预测成为可能。1973年，美国研究者经过多年研究，编制出了一套应用于板上堆焊焊接热应力分析的有限元程序。随后Muraki应用热弹塑性有限元法对其进行了改进，在一定程度上减少了计算时间[13,14]。1980年之后，伴随着研究者对焊接应力的认知的不断加深和数值仿真技术的愈加成熟。1985年Josefen研究了薄壁管件的应力分布和回火过程对残余应力分布的影响，并提出了一些减小焊接残余应力的方法。1991年Mahin等人在考虑了熔池对流、焊件传热等边界条件对温度场的影响的基础上，研究了热应力的耦合问题，所得结果与试验测量的结果吻合良好。加拿大学者Chen等人将熔化潜热以及凝固过程中的固液相变过渡区应力变化考虑在内，计算了厚板表面重熔时的应力应变，其计算值与实验值吻合良好。与国外研究者相比，国内研究者主要侧重于应用方面。1980年西安交通大学与沪东造船厂合作研究了单面焊终端裂纹产生原理及预防措施[15]。上海交通大学[16,17]开发出二维平面变形和轴对称焊接热-弹塑性有限元分析程序，并成功应用于薄板、厚板、管道焊接，随后又将高温蠕变及相变考虑在内。1.3.3目前国内外研究存在的问题目前焊接数值仿真技术主要存在以下问题：首先，目前研究者经常在不考虑材料添加方法的情况下，对焊接过程进行数值模拟，过度简化了焊接过程的温度场模拟过程，这与实际焊接过程中材料的逐步添加过程不相适应。数值模拟结果不准确，成为实际焊接工艺指导中应用数值模拟的主要障碍。二是焊接过程数值模拟中热源模型和模型参数的选择方法。目前，研究人员对焊接热源模型的探索已相当成熟，基本上可以与实际热源保持一致。然而，不同的焊接工艺对应不同的热输入，不同的材料性能也有不同的散热和导热系数，这都决定了焊接热源模型的变异性。在确定了焊接工艺和焊接材料后，根据焊接热源模型的参数对模拟热源进行调整，使其接近实际热源。目前，对双椭球热源模型参数的选择还没有一种全面有效的方法。第三，对于未焊接的焊接缺陷，在实际生产中有大量的随机性和人为因素，以经验调整弧期的焊接速度。该方法不仅不准确，而且适用于新材料和新型工艺。它不再适用。因此，利用有限元模拟技术对焊接速度进行调整，避免出现未焊接缺陷已成为需要解决的主要问题。第四，对于焊接中的冷裂问题，实际焊接过程中的多层焊接方法通过调整焊缝的冷却时间来避免发生硬化的结构-马氏体，从而降低焊后冷却速度，从而避免冷却焊接后裂缝。然而，这种方法主要是基于工人的经验。它还能保证常用的焊接结构和焊接工艺的准确性，不再适用于新的焊接材料和工艺。因此，采用数值模拟方法控制焊缝间冷却时间，有效避免焊后冷裂纹的产生，是一个迫切的研究课题。1.4研究本课题的意义随着现在社会的发展，人们对材料的使用越来越频繁，良好的焊接质量是工程安全的保障，而正确的X型坡口焊接顺序选择，也为焊接工作的质量提供有效帮助，保证焊接度，同时得到在焊件大体厚度上完全焊透的焊缝，减少工件因焊接产生变形导致工件的报废。2.Marc焊接模拟2.1Marc简介MSCMarc2018是MSCSoftwareCooperation（简称MSC）公司最新提供的软件。该软件提供开发服务软件功能，能够协助我们生产新的产品，目前很多新的产品及设备都是使用软件进行模拟的，再经过软件完善的设计技术，可以将我们需要的产品直接构造出来，也可以将我们拥有的产品放到软件中进行仿真分析，查看产品的缺陷，查找并分析下一代产品应该加强的部位，为我们要设计的产品提供更加可靠的议论依据。因为软件的数据库更加齐全，所以对于开发汽车、机械、航天、军事等行业的设备更加适用。2.2Marc的特点MSCMarc2018主要具有以下的功能特点：1、非线性和多物理的解析-marc优化为非线性分析，是一种综合而有力的解决方案，可以解决整个产品生命周期中的各种问题，这些问题包括制造过程模拟、设计性能分析、工作量性能分析和故障分析。2、接触分析--利用marc的优秀、直观的接触建模功能，可以研究多个组件之间的相互作用。您可以轻松设置1D，2D或3D联系人模型，以分析和可视化不断变化的组件交互。建模效率得到提高，因为不需要额外的联系人元素、联系人对或主从定义。不需要额外的建模工作，就可以建立和研究自接触。摩擦效应和相关材料的变化可以很容易地进行分析。3、非线性材料-你可以从大量的金属和非金属材料模型和超过200个结构，热，多物理和流体分析原件中选择精确的模型材料在你的设计。4、失效和损坏-您可以从各种失效模型中进行选择，以研究金属，混凝土，复合材料和弹性体的退化和失效。5、自动网格重绘——借助自动网格重绘程序，用更少的建模工作量来达到更高的精度，确保处理大变形问题时保持更高的网格质量。2.3Marc软件结构Marc软件主要包括三个部分：前处理模块、计算分析模块以及后处理模块。Marc软件结构如图2-1所示。图2-1MarcMentat2018.0.0主界面Marc的前处理模块不但自身配备强大的立体建模能力而且还能支持多种CAD图形接口以及CAE数据接口，这样就可以与各种分析软件之间进行数据转换，体现了该软件强大的灵活性。计算分析模块可以解决结构静力学、动力学问题、温度场分析以及其他多物理场耦合问题，体现了该软件强大的信息处理能力。后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。2.4Marc的优势Marc分析焊接问题相对于其他有限元软件有一些特有的优势。具体如下：（1）Marc为我们提供了内容多样的材料库，几乎所有普通材料都能在Marc提供的材料库中寻觅到其物理性能参数和力学性能参数；我们还能够依据自己的需求自行设定不同的材料属性和材料模型。对于焊接结构的模拟，Marc软件不但提供必要的物理性能参数还能够添加实验相应的相变潜热以及辐射散热条件。（2）Marc自身集成了焊接热源模型。以高斯面二维热源模型为例，Marc中我们仅需要在有限元模型中设定焊缝范围和焊缝方向，并在边界条件中添加好相应的焊接工艺以及热源模型参数就行，无需编写所需的程序，而Ansys等有限元软件则要求使用者自行编写焊接热源模型的程序并将其与生死单元的程序相结合才能使用。当然为了提供热源模型的多样化，Marc软件还添加了程序接口，我们可以依据个人所需热源的条件编写相应程序然后嵌入Marc软件就可以进行操作了。此外，Marc软件在焊接材料添加和路径定义时自动添加了生死单元的内容，不需要我们编写相关的程序。（3）Marc可以进行分段调试。一个多层多道的焊缝，在计算之前我们可以根据其中的任何一道焊缝来进行计算，调整他的热源模型参数，而其他软件则要全部进行详细计算才能得到结果，这是Marc软件相较其他有限元软件更加实用的重要原因。（4）Marc提供各种不同的退出号，根据退出号使用者可以判断出问题的来源，做相应的修改即可得到正确的结果[21]。以上这些内容使Marc相对于其他模拟软件更适用于处理焊接后的与温度场和应力场相关联的各种非线性问题。2.5焊接模拟过程2.5.1划分有限元网格由于本次模拟，我们主要研究X型坡口焊接的焊接顺序对焊缝的影响，并且认定的模型所需长度为200mm，宽度为100mm，板厚为，12mm，所开坡口角度为60º。如图2-2所示。图2-2有限元模型2.5.2焊接材料热物理性能参数在焊接模拟过程中认真保证材料的各种物理参数是焊接数值仿真模拟操作顺利完成的基本路径。因此，本文参照了较为值得信赖的学术文章来确定本材料的热物理性能参数如表2-1所示。表2-1304热物理性能与温度的关系温度(°C)比热容(J/°C)热传导系数(W/mm°C)屈服极限(MPa)弹性模量(GPa)泊松比00.4620.0146265198.50.2941000.4960.0151218193.00.2952000.5120.0161286185.00.3013000.5250.0179170176.00.3104000.5400.0180155167.00.3185000.5770.0208149159.00.3268000.6040.023991151.00.33312000.6760.03222560.00.33913000.6720.03372120.00.34215000.7000.1201010.00.3882.5.3，设置边界条件在焊接模拟过程中，为了得到合适的焊接模拟后的应力场，我们要适当添加位移边界条件。对于不同的模型要使用不同的边界条件，对于独立和整体模型都要约束各个方向的自由度，而对不同个方向的约束要按照不同焊接要求来进行分别约束，模拟情况要看焊接情况的不同之处来进行具体的研究分析，本次模拟我们主要对焊件左右两面进行位移约束，并在下面选择一点进行固定。如图2-3所示。图2-3位移约束由于焊接过程中焊材与外界一般会有强烈的热交换，因此，在焊接数值模拟过程中也要选择合理的温度条件，在本次模拟中，我们主要分析了单位面对流，其内容如图2-4所示。图2-4单位面对流2.5.4定义工况本次数值模拟分析中，我们主要研究X型坡口焊接的不同顺序对焊缝的影响，因此，我们选择了四层单道焊为例建立模型。我们假定了两种顺序，一种是先从一边开始焊，焊完两层后换另一边继续焊接；另一种是，先焊完中间两层，再焊外面两层，由此产生不同的温度场、应力场等进行比较，分析出质量更好的焊缝。3温度场、应力场及变形的分析因为有两种焊接顺序，所以我们假定先从一边开始焊，焊完两层后换另一边继续焊接为第一种顺序，则另一顺序为第二顺序。3.1焊接顺序对温度场的影响由于两种顺序的第一道焊缝，它们的参数大体一致，所以我将它们合并到一起不进行对比，如图3-1所示。图3-1第一道焊缝的温度场图3-2第二道焊缝(第一种顺序)图3-3第二道焊缝(第二种顺序)图3-4第三道焊缝(第一种顺序)图3-5第三道焊缝(第二种顺序)图3-6第四道焊缝(第一种顺序)图3-7第四道焊缝(第二种顺序)由上面六幅图的对比我们可以看出，在相同焊接参数的条件下第一种焊接顺序在第二道焊缝时，产生的温度比第二种焊接顺序高，而当焊接完成时，二者则刚好相反。当所需温度相同时，第二种方法所需的焊接参数更小，该方法更节省能源，因此更适合应用于现实生产中。3.2焊接顺序对应力场的影响由于两种焊接顺序的第一道焊缝基本上是完全相同的，所以我们只用一组图片来进行展示。如图所示：图3-8第一道焊缝的应力场（X轴）图3-9第一道焊缝的应力场（Y轴）图3-10第一道焊缝的应力场（Z轴）如图我们可知，第一道焊缝的横向最大拉应力达到246.7Mpa。下面我们将对两种顺序的第二道焊缝从s轴方向、y轴方向、z轴方向产生的应力场进行对比。如图所示：图3-11X轴方向上的应力场（第一种顺序）图3-12X轴方向上的应力场（第二种顺序）图3-13Y轴方向上的应力场（第一种顺序）图3-14Y轴方向上的应力场（第二种顺序）图3-15Z轴方向上的应力场（第一种顺序）图3-16Z轴方向上的应力场（第二种顺序）由图我们可知，第一种焊接顺序的第二道焊缝的横向最大拉应力达到167.3Mpa，而第二种焊接顺序则达到了222.0Mpa。下面我们将对两种顺序的第三道焊缝从s轴方向、y轴方向、z轴方向产生的应力场进行对比。如图所示：图3-17X轴方向上的应力场（第一种顺序）图3-18X轴方向上的应力场（第二种顺序）图3-19Y轴方向上的应力场（第一种顺序）图3-20Y轴方向上的应力场（第二种顺序）图3-21Z轴方向上的应力场（第一种顺序）图3-22Z轴方向上的应力场（第二种顺序）由图我们可知，第一种焊接顺序的第三道焊缝的横向最大拉应力达到228.0Mpa，而第二种焊接顺序则达到了215.3Mpa。此时