01

概 述

(資料圖)

預(yù)測(cè)焊接和增材制造（AM）中的殘余應(yīng)力和變形對(duì)于確保制造部件的質(zhì)量非常重要。但是，使用熱-機(jī)械耦合分析模擬大型焊接組件或多層AM零件非常耗時(shí)。采用固有應(yīng)變法進(jìn)行焊接或增材制造模擬時(shí)，可以對(duì)焊接、增材制造等工藝變形、應(yīng)力進(jìn)行快速結(jié)構(gòu)響應(yīng)。在該方法中，使用固有應(yīng)變作為結(jié)構(gòu)邊界條件，模擬了塑性應(yīng)變、熱應(yīng)變、蠕變應(yīng)變和相變應(yīng)變的組合效應(yīng)。在焊接過(guò)程中受到高溫的組件部分稱為熱影響區(qū)。根據(jù)應(yīng)用需求，有兩種方式可以定義熱影響區(qū)方法如下：

a)直接定義-熱影響區(qū)由用戶選擇定義，選擇對(duì)應(yīng)單元分配固有應(yīng)變；

b)焊接運(yùn)動(dòng)學(xué)-在這種方法中，熱影響區(qū)位于移動(dòng)焊接池尺寸內(nèi)的積分點(diǎn)被指定為固有應(yīng)變。

02

案例分析過(guò)程

有限元模型如圖1所示。該模型由圓形管道（底板）組成，法蘭（am_flange）通過(guò)金屬沉積形成。本分析的目的是使用固有應(yīng)變邊界條件模擬金屬沉積過(guò)程。該模擬的結(jié)果給出模型中變形和殘余應(yīng)力的合理估計(jì)。本案例只介紹其直接定義法來(lái)完成，關(guān)于焊接運(yùn)動(dòng)學(xué)的定義參照案例“Marc2022.3 用戶手冊(cè) e125案例”。

圖1 模型組成

2.1

固有應(yīng)變定義

為每個(gè)待沉積焊接層設(shè)置固有應(yīng)變邊界條件。輸入3個(gè)方向固有應(yīng)變分量，其不同方向的固有應(yīng)變數(shù)值可以通過(guò)試件的標(biāo)定獲取，其固有應(yīng)變方向和單元材料坐標(biāo)系一致。選擇第一層單元如圖2所示。然后依次單元第二、三、四層單元如圖3所示。

圖2 固有應(yīng)變定義

圖3 定義固有應(yīng)變的4層單元

同時(shí)做如下操作:

a）在Marc界面“分析任務(wù)”菜單下“停用”選項(xiàng)中停用所有定義的各層固有應(yīng)變單元

b) 為每一層創(chuàng)建一個(gè)分析工況。

c) 在每種載荷情況下，指定固有應(yīng)變邊界條件，激活一層單元。

d) 在“分析任務(wù)”菜單中按順序選擇所有依次定義的”分析工況”，并要求提供應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果。

2.2

單元類型及材料定義

底板和法蘭模型網(wǎng)格均采用7號(hào)實(shí)體單元。

整個(gè)模型所用材料為316L不銹鋼。材料數(shù)據(jù)在.umt文件中提供，提供了材料數(shù)據(jù)適用于293.15至1673.15°K的溫度范圍的力學(xué)參數(shù)、包括隨溫度變化的模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)及流變曲線等，定義方式見下圖4。

初始常溫參數(shù)為：

楊氏模量1.92372×105 MPa

泊松比0.3

熱膨脹系數(shù)1.4560×10-5/°C

圖4 底板、法蘭模型的材料定義

2.3

接觸定義

該模型由變形體和一個(gè)剛體組成，如圖1所示。

a)底板-圓形鋼管；

b)法蘭-通過(guò)多層沉積材料建造；

c)剛體-在一端固定基板平面。

在該模擬中，底板粘接到剛體平面上，法蘭逐漸粘在底板上。與接觸相關(guān)的參數(shù)均設(shè)置為默認(rèn)。所定義接觸關(guān)系均在接觸表中，接觸表在“分析工況”中和“分析任務(wù)”菜單中初始接觸中選擇。同樣的接觸表也適用于所有載荷工況。

2.4

結(jié)果顯示

圖5 模型等效應(yīng)變?cè)茍D

圖6 模型的等效應(yīng)力云圖

03

參 照

敬請(qǐng)參照 “Marc2022.3用戶手冊(cè) e125 案例，案例中含所需要的數(shù)據(jù)文件。

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