例20 圆筒的多层多道焊接过程

例20 圆筒的多层多道焊接过程
20.1 问题描述
对下图所示的两个圆筒进行焊接，分析焊接过程的温度场和应力场。

设焊接材料为普通钢材，圆筒的内径为50mm，外径为70mm。

焊接过程分为两层填丝焊接，焊接速率为4mm/s。

20.2 有限元网格的划分
由于两个圆筒是对称的，因此取一半进行分析。

20.2.1 几何模型的建立
以国际单位制kg/m/s为基本单位，先建立圆筒的一个截面。

PTS: ADD
0 0 0
0.05 0 0
FILL
DUPLICATE
TRANSLATIONS
0 0.01 0
POINTS
ALL: EXIST
PLOT
POINT:SETTINGS
LABELS 显示几何点序号
REDRAW
RETURN
RETURN 回到DUPLICATE菜单
构造焊道的几何点
TRANSLATIONS 建立5点
0 0.002 0
POINTS
4 #
TRANSLATIONS 建立6点
-0.008 0 0
POINTS
4 #
TRANSLATIONS 建立7点
-0.006 0.0005 0
POINTS
4 #
TRANSLATIONS 建立8点
-0.002 0.0018 0
POINTS
4 #
TRANSLATIONS 建立9点
-0.004 0.0014 0
POINTS
4 #
RETURN
CURVES:ADD
1 2 #
2 4 #
4 5 #
1 3 #
3 6 #
2 6 #
CURVE TYPE
INTERPOLATE 构造插值线
RETURN
CRVS: ADD
5 8 9 7
6 #
SWEEP:REMOVE UNUSED
POINTS
ALL
RETURN
RENUMBER
ALL
RETURN
FILL
在这里将焊道分开
上面已经建立了一个焊道几何模型，下面将这个焊道一分为2，如上图。

继续先构造焊道的几何点
DUPLICATE
RESET
TRANSLATIONS
0 -0.003 0
POINTS
4 #
TRANSLATIONS
-0.0015 -0.0025 0
POINTS
4 #
TRANSLATIONS
-0.0035 -0.0025 0
POINTS
4 #
RETURN
EXPAND
TRANSLATIONS
-0.01 0 0
POINTS
12 #
RETURN
FILL
直线b
有点扩展出的直线a
INTERSECT
CURVE/CURVE
选择上图的a,b直线
RETURN
CURVE:REM
选择上图的a直线（现在已经分成了两条直线，都要删除）ZOME BOX
选择焊道区域放大
CURVE TYPE
INTERPOLATE
RETURN
CRVS:ADD
依次选择下图的几个点
SWEEP:REMOVE UNUSED
POINTS
ALL
RETURN
RENUMBER
ALL
RETURN
PLOT:POINTS SETTING
LABELS(off) 关闭显示几何点号REDRAW
RETURN
RETURN
FILL
INTERSECT
CURVE/CURVE
选择下图的两条线，使之相互切断，以便后续画网格
RETURN
CURVE TYPE COMPOSITE RETURN CRVS: ADD 是这两条线相互切断
SWEEP:REMOVE UNUSED POINTS 连接这两条线
ALL
RETURN
RENUMBER
ALL
RETURN
MOVE 将这些线在Y方向移动到0.025m，以便以Y=0这条轴线做旋转出圆筒形。

0 0.025 0
CURVES
ALL:EXIST
RETURN
FILL
至此焊道的几何模型基本构建完成
20.2.2 开始对截面画网格
AUTOMESH
CURVE DIVISIONS
FIX # DIVISIONS: #DIVISIONS
4
APLL Y CURVE DIVISIONS
选择下图的线，确定
RETURN 结果如下图
2D PLANAR MESHING QUAD MESH!
选择下图的线，确定
选择下图的线，确定
RETURN
RETURN 回到MESH GENERATION主菜单SUBDIVIDE
DIVISIONS
15 1 1
BIAS FACTORS
0.4 0 0
CURVES
选择下图的线1，确定
DIVISIONS
15 1 1
BIAS FACTORS
0.2 0 0
CURVES
选择上图的线2，确定DIVISIONS
2 1 1
选择上图的线3，确定RETURN AUTOMESH
2D PLANAR MESHING QUAD MESH!
选择下图的线，确定线1 线2
线3
获得的网格
RETURN
RETURN 回到MESH GENERATION主菜单
SWEEP:
ALL:EXIST
RETURN
RENUMBER: ALL
RETURN
CLEAR GEOM 已经建立了网格，不需要几何体了
SELECT
ELEMETS
STORE
SET1
选择下图SET1的单元，确定这一部分单元扩展后作为第一道焊道
STORE
SET2
选择下图SET2的单元，确定这一部分单元扩展后作为第二道焊道，这样做成
SET之后，方便后续的操作！
RETURN
EXPAND
ROTA TION ANGLES(DEGREES) 6 0 0 SET1
SET2
REPITITIONS
60
ELEMENTS 面单元扩展60次，每次扩展6 degree，正好一周360degree ALL:EXIST
FILL
RETURN
SWEEP
ALL
REMOVE UNUSED:NODES
RENUMBER
ALL
RETURN
RETURN
20.3 施加材料性能
对代表板材的网格施加物理性能，这是必须的，试想没有物理性能怎么计算温度、应力等物理量？为了简化计算，不考虑材料性能随温度的变化
MATERIAL PROPERTIES
ISOTROPIC
YOUNGER’S MODULUS
2.1E11
POISSON’S RATIO
0.33
MASS DENSITY
7800
PLASTICITY:ELASTIC-PLASTIC
INITIAL YIELD
2.5E8
RETURN
THERMAL EXP.
1.2E-5
RETURN
RETURN
HEAT TRANSFER
CONDUCTIVITY
40
RETURN
SPECIFIC HEAT
500
RETURN
MASS DENSITY
7800
RETURN
ADD 定义完材料性能一定要施加到单元上！
ALL: EXIST
RETURN
RETURN 回到主菜单
以上认为母材和焊道单元的材料性能是一样的，当然，也可以建立两套材料性能，赋予母材和焊道。

实际上这个材料性能不必要每一次这么重复输入。

可以采用如下方法：新建一个MATERIAL.MUD文件，文件中将这些材料性能参数按照上面的方法输入，并使用表格，然后保存。

在下一次用到这个材料性能的时候，直接从如下菜单读入。

A
B
20.4 建立焊接路径
MESH GENERATION
NODES:ADD
0.05 0 0 生成如下图的节点，这个节点到时候起导向作用。

注意，
绝对不能在无意中把这个节点删除了或者SWEEP掉！RETURN
MODELING TOOLS
WELD PATHS
NEW
SELECT
IDENTIFY SETS
RETURN
PATH INPUT METHOD
NODES
ADD
选择红色的和黄色的交界区域的所有节点，如下图。

ORIENTATION INPUT METHOD NODES
ADD
仍然选择中心点位置节点
NEW
PATH INPUT METHOD NODES
ADD
选择最外面的一圈节点ORIENTATION INPUT METHOD NODES
ADD
仍然选择中心点位置节点起点！也是终
点！选两次！
焊接方向
PLOT
NODES
ELEMENTS 关闭节点和单元的显示，以观察焊接路径和方向，如下图
REDRAW
焊接路径是这些节点的切线方向Z向，焊接的电弧方向是Y向。

焊接路径方向
焊接电弧方向
NODES 开启节点和单元的显示，ELEMENTS
REDRAW
RETURN
IDENTIFY SETS 关闭SETS的显示
RETURN
DRAW WELD PATH 关闭焊接路径的显示
RETURN
20.5 建立焊道
WELD FILLERS
NEW
MELT POINT TEMPERATURE
1500
ELEMENTS ADD
SET
SET2
NEW
MELT POINT TEMPERATURE
1500
ELEMENTS ADD
SET
SET1
ID WELD FILLERS
焊道单元已经建立完毕，如下图，SET2中的单元为FILLER1，SET1中的单元为FILLER2
ID WELD FILLERS 关闭焊道单元的显示
RETURN
RETURN 回到主菜单
20.6 施加边界条件
20.6.1 焊接温度场的边界条件
BOUNDARY CONDITIONS
THERMAL
MORE
VOLUME WELD FLUX
FLUX
WIDTH
0.005
DEPTH
0.005
FORWARD LENGTH
0.003
REAR LENGTH
0.015
VELOCITY
0.004
WELD PATH
Weldpath1
WELD FILLER
Weldfiller1
ELEMENT Add
ALL:SET
SET2
RETURN
COPY
VOLUME WELD FLUX
WIDTH
0.008 第二道道的宽度有所变化，变为8mm，其余和第一道焊道
的设置一样，那么到底一不一样？要根据具体的实际接头形
貌而定。

WELD PATH
Weldpath2
WELD FILLER
Weldfiller2
RETURN
ELEMETS:REM
ALL:EXIST
ELEMETS:ADD
SET1
NEW
RETURN
FACE FILM
FILM
COEFFICIENT
40
SINK TEMPERATURE
20 环境温度
RETURN
FACES
ADD
选择下图中的面，但不是所有单元的所有面！
去除下图中对称面，确定。

对称面不能对外界散热！
以上温度场边界条件定义完毕！
20.6.2 焊接应力场的边界条件
RETURN
NEW
MECHANICAL
FIX DISPLACEMENT DISPLACEMENT X
NODES ADD
选择对称面上的所有节点，确定
NEW
MECHANICAL
FIX DISPLACEMENT DISPLACEMENT Z
NODES ADD
选择下图所示节点，确定
NEW
MECHANICAL
FIX DISPLACEMENT DISPLACEMENT Y
NODES ADD
选择下图位置的节点，确定
这样力学边界条件基本上完成！
RETURN
RETURN 回到主菜单
20.7设置工况
20.7.1 定义第一道焊道的焊接过程
LOADCASES
COUPLED
QUASI-STATIC
LOADS:APPL Y2 取消第二道焊缝焊接
CONVERGENCE TESTING 计算收敛检查。

DISPLACEMENTS 位移检查准则，最为精确
RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE
0.1 一般默认值就可以了，值越小，计算越精确！反之
则反。

建议不要超过0.2。

MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE
30
RETURN
TOTAL LOADCASE TIME 定义焊缝的焊接时间。

焊道长度l的话，焊接速率为v
的话，那么焊接时间是多少呢？
47
CONSTANT TIME STEP 定义常时间步长
PARAMETERS
#STEPS
47
OK
OK
20.7.2 定义第二道焊道的焊接过程
NEW
QUASI-STATIC
LOADS:APPL Y1 取消第一道焊缝焊接
APPL Y2 施加第二道焊缝焊接
CONVERGENCE TESTING 计算收敛检查。

DISPLACEMENTS 位移检查准则，最为精确
RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE
0.1 一般默认值就可以了，值越小，计算越精确！反之
则反。

建议不要超过0.2。

MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE
30
RETURN
TOTAL LOADCASE TIME 定义焊缝的焊接时间。

焊道长度l的话，焊接速率为v
的话，那么焊接时间是多少呢？
53
CONSTANT TIME STEP 定义常时间步长
PARAMETERS
#STEPS
53
OK
OK
20.7.3 定义冷却过程
NEW
QUASI-STATIC
LOADS
Apply2 取消apply2，已经没有焊接的边界条件了！
OK
TOTAL LOADCASE TIME
5000
CONVERGENCE TESTING 计算收敛检查。

DISPLACEMENTS 位移检查准则，最为精确
RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE
0.1
MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE
30
OK
TOTAL LOADCASE TIME
5000 5000s冷却到室温，这个数值只能大概估计，有经验就估计比较准确，可以多给一些时间冷却，但不能少给了。

ADAPTIVE: TEMPERATURE
PARAMETERS
MAX #INCREMENTS
500这个参数也是估计值，多给没关系，不能少给了。

INITIAL TIME STEP
1 探测增量步的时间步长是1s，经验性的参数，少给一点，计
算时间长一些，精度高一些。

OK
OK
RETURN
RETURN 回到主菜单
20.8 定义作业
定义作业一般需要定义作业类型，和LOADCASE的类型必须保持一致！选择输出的结果，计算那几个LOADCASE，分析的维数等等。

JOBS
COUPLES
A V AILABLE
Lcase1
Lcase2
Lcase3
ANAL YSIS OPTIONS
PLASTICITY PROCEDURE:
SMALL STRAIN 将塑性过程从小变形切换到大变形
LUMPEDMASS & CAPACITY 集中质量矩阵，能提高计算速度。

OK
JOB RESULTS
STRESS
Equivalent Von Mises Stress 输出应力和等效应力OK
RETURN
RUN 提交作业进行运算
USE SUBROUTINE FILE
Uactive.f 选择已经编辑完毕的uactive子程序OK
SA VE
SUBMIT(1)
MINITOR
运行结束后如下图
20.9 结果分析
20.9.1温度场分析
OPEN POST FILE (RESULTS MENU)
CONTOUR BANDS
SCALE PLOT:SCALAR
Temperature
OK
PLOT: NODES(off) 关闭节点显示REDRAW
RETURN
SKIP TO INC
30
DYN.MODEL
同时按住鼠标左右键转动模型如下图
SKIP TO INC 56
第一道起焊位置当前熔池位置
第二道起焊位
置
当前熔池位置LAST 最后一步的温度场分布，冷却到室温
PLOT :NODES
REDRAW 显示节点
HISTORY PLOT 显示焊道附近节点的热循环曲线
NODES SET
2416
256
196 #
COLECT DATA
0 236 1
NODES/V ARIABLES
ADD V ARIABLE
Time
Temperature 显示温度随时间的变化曲线
FIT
RETURN
SHOW IDS
XMAX:
200
从下图可以看出：
1）196号节点位置在第二道焊道的单元上，所以，在第一道焊道焊接的时候，该处的温度值始终为0。

第一道焊道形成的峰值第二道焊道形
成的峰值
这个小峰值是
怎么回事？
2）256 号节点第一道焊接的峰值温度要比2416号节点的高，说明256号节点更为靠近焊道。

并且，也可以断定，256号节点在第二道焊道单元和母材单元的边界位置。

实际情况和热循环曲线反映的位置特征是一致的，如下图。

3）在三个点的热循环曲线上，可以发现第3个较小的温度峰值，可以这样认为，由于这三个点的位置靠近收弧端位置较近，当焊接完毕（时间t=100s ）时，如上图，此时的熔池热能够传递到这三个位置，但影响不是很大，所以出现了一个较小的温度峰值。

20.9.2 应力场分析
SHOW HISTORY PLOT SHOW MODEL
RETURN 回到后处理菜单 PLOT NODES 关闭节点显示 LAST
SCALAR PLOT:SCALAR
EQUIV ALENT VON MISES STRESS DYN.MODEL
同时按住鼠标左右键转动，可以看到如下的等效MISES 应力分布。

196
256
2416
焊接熔池
PATH PLOT
NODE PATH
46 3226 #
V ARIABLES
ADD CURVES
ARC LENGTH
COMP 11 OF STRESS
ARC LENGTH
COMP 22 OF STRESS
ARC LENGTH
COMP 33 OF STRESS
RETURN
FIT
SHOW ID
RETURN
SCALAR PLOT SETTINGS
RESULTS COORDINATE SYSTEM
ACTIVE
CYCLINDRICAL
如下图所示，可以看到柱坐标系下的三向应力分布。

在这里，11方向为横向，22方向为纵
向，33方向为轴向。