薄壁管的電子束焊接

以此任務(wù)為例：用電子束（Electron Beam）焊接薄壁管（Thin-Walled Tube).

(資料圖)

模型尺寸：30×30×1mm

材料:DP600（抗拉強(qiáng)度600MPa)

焊接速度：Ｖ＝4ｍ/min

線能量：q=180 J/cm

要求：

要求焊接后的變形（Displacement)較小，焊接后的殘余應(yīng)力(Stress)可以稍大。

因為模型比較簡單，可以直接在VE中創(chuàng)建3D模型，進(jìn)行創(chuàng)建FE模型。也可以通過其他三維軟件，創(chuàng)建3D模型，導(dǎo)入進(jìn)行網(wǎng)格劃分，不過需要注意的是，如果模型比較復(fù)雜，需要進(jìn)行幾何清理。

FE模型

網(wǎng)格檢查

網(wǎng)格檢查之后，保存網(wǎng)格模型，這時可以在SYSWELD中定義相關(guān)參數(shù)并求解，也可以在VW中設(shè)置參數(shù)并求解，鑒于模型較為簡單，設(shè)置在VW中進(jìn)行求解，需要注意的是在VW中進(jìn)行求解，也需要安裝SYSWELD，在第一次求解的時候，需要指定SYSWELD工作路徑。VW是優(yōu)化了界面操作，真正的求解還是在SYSWELD中進(jìn)行。

11433node焊接熱循環(huán)曲線

應(yīng)變云圖

應(yīng)力分布圖

保存結(jié)果，導(dǎo)入FE模型改變參數(shù)再次進(jìn)行分析，尋找最優(yōu)焊接參數(shù)組合，并分析。

如何利用穩(wěn)態(tài)算法加速算法模擬焊接過程的殘余應(yīng)力

在進(jìn)行熱力耦合的仿真過程中，如果模型足夠的長并且熱源速度恒定，通常其熱學(xué)，相變以及熱力耦合都會達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過程，因此如何直接計算穩(wěn)態(tài)問題成為了大家研究的熱點問題。

由于焊接過程涉及大量非線性問題，如材料的非線性問題。如果我們想要查看焊接過程中的殘余應(yīng)力等，通常我們將使用Lagrangian formulation來進(jìn)行模擬，拉格朗日模型中，網(wǎng)格即代表材料，材料的變形均是由網(wǎng)格的變形所體現(xiàn)出來，因此對于那些history-dependent 的材料，拉格朗日模型就有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。

材料在讓任何時刻的應(yīng)力應(yīng)變都可以被輕易的找到和考慮在內(nèi)，然而正如我們大家所熟知的，當(dāng)我們使用Step by step的方法進(jìn)行模擬和仿真時，我們需要對熱源所掃過的所有路徑都要進(jìn)行網(wǎng)格的細(xì)化，如圖一，熱源在空間中進(jìn)行移動。同時，如果涉及大變形等問題時，需要對網(wǎng)格重新劃分和進(jìn)行新舊網(wǎng)格之間的數(shù)據(jù)傳遞來避免計算過程不收斂等相關(guān)問題。

圖一 : 拉格朗日step by step模擬網(wǎng)格

在確保有穩(wěn)態(tài)存在的情況下，為了加速整個熱力耦合的過程，涉及小變形的前提下，sysweld含有steady state穩(wěn)態(tài)算法，可以直接求解焊接過程的穩(wěn)態(tài)問題，大幅提高運(yùn)算效率，同時可以對網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化(也可以使用同樣的拉格朗日step by step的網(wǎng)格)，只需要對熱源附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，為了便于計算收斂還需要對邊界的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，如圖二，并且熱源固定在空間中，材料在網(wǎng)格中進(jìn)行流動，速度為熱源速度的相反數(shù)。

圖二 : 穩(wěn)態(tài)算法模擬下使用的網(wǎng)格

首先如果對網(wǎng)格進(jìn)行對比可以發(fā)現(xiàn) :

表格一 : 不同模型下的節(jié)點和單元個數(shù)對比

穩(wěn)態(tài)下的熱學(xué)仿真是需要求解diffusion-convection問題，并使用了Petrov-Galerkine variational formulation (proposed by Hughes and Brooks)來避免熱學(xué)仿真中某些節(jié)點可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定性結(jié)果，我們可以一同查看下穩(wěn)態(tài)下的熱學(xué)仿真結(jié)果，如圖三。

圖三 : 穩(wěn)態(tài)算法模擬下熱學(xué)計算溫度場分布

在加載熱學(xué)仿真結(jié)果之后，軟件會對穩(wěn)態(tài)下的熱力耦合問題進(jìn)行處理。為了得到材料的相關(guān)應(yīng)力應(yīng)變以及所受到的荷載歷史，軟件會首先建立streamline 在為變形的網(wǎng)格下，如下圖四(摘自sysweld reference manual 2018)。虛線部分即指材料的從流入到流出的軌跡路線。

圖四 : 穩(wěn)態(tài)算法模擬下的streamline

如果我們拿出來其中一條streamline來分析，對于需要求解的單元或高斯點，他的歷史軌軌跡將被找到在該單元所在位置的上游位置，如下圖所注釋的。

然后我們可以查看到在此刻對應(yīng)的Von Mise焊接應(yīng)力，如圖五所示。

圖五 : 穩(wěn)態(tài)算法模擬下Von Mise應(yīng)力分布

接下來我們可以與step by step的計算進(jìn)行對比，在此我們需要取熱源移動到同一位置情況下的熱學(xué)和力學(xué)的計算結(jié)果進(jìn)行對比。

圖六 : step by step算法模擬下熱學(xué)和力學(xué)分布

通過對比我們可以看到兩種方式所得到的結(jié)果非常相近。

最后我們可以看到使用穩(wěn)態(tài)計算所需要的時間是step by step計算的1/50。