关于焊接的CAE仿真理论基础

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CAE基础知识介绍.ppt

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1-2 应力的概念
弹性体内微小的平行六面体PABC,称为体素
PA=dx,PB=dy,PC=dz
每一个面上的应力 分解为一个正应力 和两个剪应力,分 别与三个坐标轴平 行
s 正应力 剪应力
图 1-4
1-2 应力的概念
s 正应力
为了表明这个正应力的作用面和作用方向,加
上一个角码,例如,正应力 s x是作用在垂直于x轴
体所有各点的位移都远小于物体的原有尺寸,因而应变和转角 都远小于1,这样,在考虑物体变形以后的平衡状态时,可以 用变形前的尺寸来代替变形后的尺寸,而不致有显著的误差; 并且,在考虑物体的变形时,应变和转角的平方项或乘积项都 可以略去不计,这就使得弹性力学中的微分方程都成为线性方 程。
1-2 应力的概念
弹性力学中关于材料性质的假定
(1) 物体是连续的,亦即物体整个体积内部被组成这种物体
的介质填满,不留任何空隙。这样,物体内的一些物理量,如 应力、应变、位移等等才可以用座标的连续函数来表示。
(2) 物体是完全弹性的,亦即当使物体产生变形的外力被除
去以后,物体能够完全恢复原形,而不留任何残余变形。这样, 当温度不变时,物体在任一瞬时的形状完全决定于它在这一瞬 时所受的外力,与它过去的受力情况无关。
作用于弹性体的外力(或称荷载)可能有两种: 表面力,是分布于物体表面的力,如静水
压力,一物体与另一物体之间的接触压力等。 单位面积上的表面力通常分解为平行于座标轴 的三个成分, 用记号 、、 来表示。
体力,是分布于物体体积内的外力,如重 力、磁力、惯性力等。单位体积内的体力亦可 分解为三个成分,用记号X、Y、Z表示。 弹性体受外力以后,其内部将产生应力。
总之,弹性力学与材料力学既有联系又有区别。 它们都同属于固体力学领域,但弹性力学比材料力学, 研究的对象更普遍,分析的方法更严密,研究的结果

CAE理论知识

CAE理论知识

粘塑性有限元法主要用于热加工,因为在热加工过程中应变硬化效应不显著,板料变形对变形速度有较大敏感性。

AutoForm-Incremental 求解器应用了最新的有限元隐式算法,从而保证求解的迭代收敛,同时采用自适应网格、时阶控制、复杂工具描述的强有力接触算法、数值控制参数的自动决定和使用精确的全量拉格朗日理论(Total-Lagrange Theory)等保证快速求解和结果的准确性。

单元理论根据众多的研究实践,可用于冲压成形有限元模拟分析的单元有三类:基于薄膜理论的薄膜单元、基于板壳理论的壳单元和基于连续介质理论的实体单元。

1)薄膜单元薄膜单元是C0型单元,其构造格式简单、对内存要求小,但其理论基础是基于平面应力假设的薄膜理论,忽略了弯曲效应,考虑的内力仅为沿薄壳厚度均匀分布的平行于中面的应力,忽略弯矩、扭矩和横向剪切,分析弯曲效应比较明显的成形过程比较困难。

2)壳单元一般壳体单元按照壳体几何形状描述方式分为曲面单元和平板单元。

考虑消除剪切自锁和零能量模态的方法,又分为许多不同的单元,其中以Hughes-Liu(HL)单元和Belytschko-Tsay(BT)单元最为著名。

3)实体单元实体单元考虑了弯曲效应和剪切效应,而且也是0C单元,其格式比薄膜单元还要简洁,而且由于连续介质理论是三维理论,所以实体单元能处理三维成形问题。

但同时利用实体单元进行冲压问题的分析,计算时间太长,尤其是在处理像汽车覆盖件冲压成形这样的复杂三维成形问题时,其效率过于低下。

因此,除了在板料厚度较大必须使用实体单元外,像覆盖件这样复杂零件的冲压成形数值模拟一般不用实体单元。

算法格式1)显式算法显式算法包括动态显式和静态显式算法。

动态显式算法的最大优点是有较好的稳定性,采用动力学方程的中心差分格式,不用直接求解切线刚度,不需要进行平衡迭代,计算速度快,也不存在收敛控制问题,所需内存也比隐式算法要少。

静态显式法基于率形式的平衡方程组与Euler前插公式,不需要迭代求解。

焊接仿真详谈

焊接仿真详谈

焊接仿真详谈焊接是当前各⾏各业常⽤的加⼯⼿段,焊接⽔平的⾼低在很⼤程度上决定了产品的质量和⽣产效率,特别是船舶⾏业,⽽焊接变形⼜是焊接过程中最难控制的⼀环。

焊接变形的影响有:焊接结构形状变异,尺⼨精度下降;承载能⼒降低;在⼯作载荷作⽤下引起的附加弯矩和应⼒集中作⽤下导致结构失效;结构疲劳降低。

焊接变形的预测⽅法:1、经验(试验)法:经验(试验)法是通过试验建⽴经验公式和数据曲线,⽤经验公式和数据曲线来估计焊缝的收缩量和⾓变形量。

局限性:在⼀定条件下的试验或⽣产实际中得到的,⼀般被限制在特定的变形模式上;试验受到时间和成本的限制。

真实结构的负责焊接变形是由多种基本变形组合⽽成的。

每个基本变形不可能通过有限的试验结果来区分。

2、解析法解析法(弹性理论⽅法)是基于经典弹性理论,忽略热弹塑性的⽅法。

局限性:由于该⽅法是建⽴在平截⾯假定和其它⼀些假定的基础上的,故只能适⽤于⼀些焊接是通过熔化⾦属进⾏的连接的⼯艺过程。

3、数值模拟法焊接数值模拟法⼜叫焊接计算机仿真,实际上就是热传导有限元解析法和⾮线性有限元应⼒解析法的组合,已成为线性问题及塑性破坏等⾮线性问题解析不可或缺的⼿段。

焊接数值模拟是以试验为基础,采⽤⼀组控制⽅程来描述⼀个焊接过程或⼀个焊接过程的某⼀⽅⾯,采⽤分析或数值⽅法求解以获得该过程的定量认识。

核⼼要求:确定被研究对象的物理模型及其控制⽅程(本构关系)意义:通过对复杂或不可观察的焊接现象进⾏仿真和对极端情况下尚不知的规则的预测,以助于认清焊接现象的本质特征,优化结构设计和⼯艺设计,从⽽减少试验⼯作量,提⾼焊接质量。

应⽤范围:预测焊接温度场、焊接参与应⼒、⼤型结构的焊接变形以及焊缝和热影响区组织的预测。

焊接变形和残余应⼒的计算有两部分组成:A)随时间变化的温度分布的计算,即温度解析;B)在变化的温度场下地位移在变化的温度场下地位移、应变和应⼒的计算应变和应⼒的计算,即应⼒解析即应⼒解析。

焊接数值模拟主要包括固有应变法和热弹塑性有限元法。

CAE的基本原理

CAE的基本原理

CAE的基本原理1)粘性流體力學的基本方程(1) 廣義牛頓定律,反映了一般工程問題範圍內粘性流體的應力張量與應變速率張量之間的關係,數學運算式為本構方程。

(2) 品質守恆定律,其含義是流體的品質在運動過程中保持不變,數學運算式為連續性方程。

(3) 動量守恆定律,其含義是流體動量的時間變化率等於作用於其上的外力總和,數學運算式為運動方程。

(4) 熱力學第一定律,其含義是系統內能的增加等於對該系統所作的功與加給該系統的能量之和,數學運算式為能量方程。

2)塑膠熔體充模流動的簡化和假設(1) 由於型腔壁厚(z向)尺寸遠小於其他兩個方向(x和y方向)的尺寸且塑膠熔體粘性較大,所以熔體的充模流動可視為擴展層流,z向的速度分量可忽略不計,且認為壓力不沿z向變化。

(2) 充模過程中熔體壓力不是很高,因此可視熔體為未壓縮流體。

(3) 由於熔體粘性較大,相對于粘性剪切應力而言,慣性力和品質力都很小,可忽略不計。

(4) 在熔體流動方向(x和y方向)上,相對于熱對流項而言,熱傳導項很小,可忽略不計。

(5) 熔體不含內熱源。

(6) 在充模過程中,熔體溫度變化不大,可認為比熱容和導熱係數是常數。

(7) 熔體前沿採用平面流前模型。

3)塑膠熔體充模流動的控制方程5)數值計算實施過程與策略CAE軟體的應用過程。

首先根據製品的幾何模型剖分具有一定厚度的三角形單元,對各三角形單元在厚度方向上進行有限差分網格剖分,在此基礎上,根據熔體流動控制方程在中性層三角形網格上建立節點壓力與流量之間的關係,得到一組以各節點壓力為變數的有限元方程,解方程組求得節點壓力分佈,同時將能量方程離散到有限元網格和有限差分網格上,建立以各節點在各差分層對應位置的溫度為未知量的方程組,求解方程組得到節點溫度在中性層上的分佈及其在厚度方向上的變化,由於壓力與溫度通過熔體粘度互相影響,因此必頇將壓力場與溫度場進行迭代耦注射溫度熔體流入冷卻的型腔,因熱傳導而散失熱量。

焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程

焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程

焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺,在材料加工领域一直占有重要地位。

焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程,其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。

焊接过程中产生的焊接应力和变形,不仅影响焊接结构的制造过程,而且还影响焊接结构的使用性能。

这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。

由于高能量的集中的瞬时热输入,在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形,影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。

因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。

传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式,但此类方法带有明显的局限性,对于新工艺无法做到前瞻性的预测,从而导致实验成本急剧增加,因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。

ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件,提供了完整的分析功能,完备的材料本构关系,为焊接仿真提供了技术保障。

文中以ANSYS为平台,阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程,为企业设计人员提供了一定的参考。

2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组,对于该类方程求解的方式通常为两大类:解析法和数值法。

由于只有在做了大量简化假设,并且问题较为简单的情况下,才可能用解析法得到方程解,因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。

在焊接分析中,常用的数值方法包括:差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。

差分法:差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。

对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题,编程简单,收敛性好。

但该方法往往仅局限于规则的差分网格(正方形、矩形、三角形等),同时差分法只考虑节点的作用,而不考虑节点间单元的贡献,常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。

某车体侧墙立柱焊接过程CAE仿真研究

某车体侧墙立柱焊接过程CAE仿真研究
摘 要 :随 着计 算机 技 术的 发展 ,铝 舍金 焊 接 的数值 模 拟技 术被 越 来越 多的应 用 ,在 城 市轨 道 交通行 业 、车辆 制 造等 工 程 领域 ,铝 合金 因其材 料 的特 殊性 ,焊后 残余 应 力 、焊接 变 形复 杂 ,其 焊接过 程 的控 制 成为 制造控 制 的 重要 因素 ,本 文 运 用现 车 焊接 试验 与有 限元分 析相 结合 的方 法 ,利 用现 实与 虚拟 协 同再现 了某铝 合金 车体 侧墙 的焊接 试验 ,由此控 制和 预 测 的项 点 包括 焊接 热输 入 、焊接 残 余应 力 、焊接 温度 场等 参数 ,解决 铝合金 车体侧 墙 在制 造过 程 中的 焊接 问题 。本 文 利 用 大 型商 用 有 限元软 件 A B A QU S构 建 了铝 合金 车 体侧 墙 的 有 限元模 型 、材 料 本 构模 型 、 夹具拘 束作 用模 型 ;通过 与
工 艺试 验 对 比 ,实现 焊接 过程 的控 制 。 关 键词 :C A E;侧墙 ;A B A QUS ;焊接 行 为 ;焊接 热输入 ;协 同仿 真
中 图分 类 号 : T B 3 0 2 . 3
文献 标识 码 :A
目前 ,C A E( 计算 机辅 助工 程 )的研 究 已 经在 制 造 业 推广 ,在影 响 C A E技 术 发 展 的 诸 多 因素 中 ,人才 、计 算 机 硬 件 和 分 析 软 件 是 三 个 最 主 要 的 方 面 ,现 代 计 算 机 技术 的飞 速 发 展 , 已经 为 C A E技 术 奠 定 了 良好 的硬 件 基 础 。 多 年 来 ,重 视C A E技 术人 才 的培 养 和分 析 软件 的开 发 和推 广应 用 ,发 达国家 不仅 在科技 界 , 而 且 在 工程 界 , 已经 具 有 一支 较 强 的掌 握C A E技 术 的 人才 队伍 ,同时 在 分 析软 件 的开发和 应用 方面也 达 到了较 高水平 。 焊接技 术是现代制造业 中最有效 、 应 用 最 广 泛 的 连 接方 法 ,广 泛 应 用 于 轨 道 车辆 、 船舶 、 航 空航 天等 制 造工 程领 域 。 在 焊 接 过 程 中 ,由于 其 不 均 匀 的加 热 及 冷 却 过 程 ,焊接 结 构 焊 后 存 在 着 不 可 避 免 的焊 接 残 余 应 力 和 变 形 。特 别 是 对 于 大 型结 构而 言 , 结 构尺 寸大 , 形状 复 杂 , 焊缝 总长度长 ,焊后残余应力、变形情 况更 为复杂 ,对制造精度及使用性 能的 影 响更 为 显 著 ,装 备 制 造 业 为 国 民经 济 各 行 业 提 供技 术 装 备 ,产 业 关 联 度 高 、 吸 纳 就业 能 力 强 ,是 各 行 业 产 业 升 级 、 技术 进步 的重 要 保 障和 国家 综 合 实 力 的 集 中 体 现 。最 近 几 年 ,我 国 的 制 造 业 发 展 速 度 快 ,重 大 技 术 装 备 自主 化 水 平 显 著 提 高 ,已经 成长 为装 备 制 造 业 大 国。 然而产业大而不强 ,高新技术与传统装 备 工 业 改 造 结 合 不 够 ,装 备 制 造 业 信 息 化 程 度 、 自动 化 程 度 不 高 。对 于 铝 合 金 车 体 而 言 , 由于 铝 合 金 具 有 导 热 率 大 、 热 膨 胀 系 数 大 等 特 性 ,其 焊 接 结 构 焊 接 残 余 应 力 、变 形 更 为 显 著 ,因此 对 铝 合 金 车体 的焊 接 变 形 控 制 也 成 为 亟 待解 决 的 问题 。 焊接数值模拟技术充分利用现代计 算机技术和高性能计算技术 ,通过建立 精 确 的 数 学 物 理模 型 ,数 字 化 再 现 焊 接 过 程 ,可 有 效 地 实 现 对 复 杂 或 不 可 观 察 现象的定量分析。应用数值模拟技术为 实 际 焊 接 生 产 提供 全 面 的参 考 数 据 和 可 行 性 理 论 支 持 ,为控 制 焊 接 变 形 提 供 了

关于焊接的CAE仿真理论基础

关于焊接的CAE仿真理论基础

2019/11/3
Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
7
材料加工的计算机模拟与仿真
Aluminium welding of BMW suspension parts
At BMW, SYSWELD is used to predict distortions and residual stresses on welded aluminum frame parts. An example is the wing of the rear axis system of a BMW series 5. The wing is made out of three hydroformed, thick-walled aluminum parts which are welded together by 8 welding joints in a certain sequence.
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材料加工的计算机模拟与仿真
焊接数值模拟:其他加热工艺
• 热处理
– 包括焊后热处理等对应力和变形的影响等等
• 热校核
– 焊后产生变形,用局部加热的方法校正,研 究加热部位,加热量等因素的影响
• 热成形
– 确定加热部位,热源强度,加热时间等等; 可以实现变形的精确控制
2019/11/3
Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
– 过程模拟,温度,压力对界面接合的影响;TLP过程的模拟
• 钎焊
– SMT焊点形态模拟,焊点服役过程中的热应力应变循环,寿 命估计等等

CAE入门基础

CAE入门基础

标准
CAE常见分析结果
6
Page 27
Temperature at flow front
Page 28
Bulk temperature
定义
聚合物熔体在成型周期内流经某一位置 在其厚度上的温度变化(动态结果).
在填充期间均匀的体积温度分布是想要的模型设计。 体积温度显示是检查流动分布的另外一种方式。连 续流动的区域(热对流)的体积温度会比较高,当 在该区域的流动停止时,体积温度下降得很快。 热点是由于在填充阶段过多的粘性发热。如果 最大体积温度接近于材料降解温度,考虑在热 点部分更改产品的几何形状或者改变工艺条件。 微小的温度也能导致不均匀的收缩和翘曲。
跑道效应
熔接线====Weld Lines
熔接线
在填充时间上重叠熔接线确定其存在, 熔接线会导致结构和外观视觉上的缺陷。
CAE常见分析结果
6
Page 23
Pressure at V/P switchover
定 义
该结果从流动分析产生,显示 了通过模型内的流程在从速 度到压 力控制切换点的压力分布。
PC-用来做照相机,手机本体是因为精密度高及韧性高,用来做CD壳是利用其透明性好。
产品与模具
4
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模具材料介绍
模具钢材种类不同,则它的传热能力不同,影响水路分析结果。
产品与模具
4
Page 14
模具介绍
模 具 的 设 计 与 产 品 成 型
1.成型可行性
2.浇口的形式,位置 3.流道的形式,尺寸 4.水路的排布
结晶性和非结晶性
结晶性塑胶 规则性高的分子 PE PA POM 非结晶性塑胶 规则性低的分子 PS PVC PC ABS

1 CAE技术原理及模拟仿真.ppt

1 CAE技术原理及模拟仿真.ppt
1977年HKS公司成立,开发的ABAQUS软件非线性功能
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CAE发展历史
特别优异,具有强大的模型级材料模块和宽广的特性分析范围。 1986年ADINA公司成立,开发的ADINA除广泛应用到各
行业之外,还能真正实现流场、结构和热力学的耦合分析,被 业内人士认为是有限元发展方向的代表。
1987年LSTC开发出LS-DYNA,具有强大的显式动力学分 析功能,能模拟仿真工程中的接触、碰撞和爆炸等真实结构行 为。
20世纪90年代是CAE技术的成熟壮大时期。主要发展是 将CAE与CAD和CAM软件集成为CAD/CAE/CAM系统,从而形 成一个完整、方便的实用产品。CAD技术经过三十年的发展, 经历了从线框技术到曲面技术,再到参数化技术,直至目前的变 量化技术,为CAE技术的推广应用打下了坚实的基础。这期间 各CAD软件开发商一方面大力发展自身CAD软件的功能,另一 方面通过扩展CAE功能或并购CAE软件来增加其软件CAE功能 ,如著名的CAD软件CATIA、UG、Pro/E都增加了基本的CAE
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CAE技术基本概念
3. CAE技术在机械领域中的应用
(1) 运用有限元和模态分析等方法对机械产品的结构进 行强度分析、振动分析和热分析,并运用结构强度与寿命评 估的理论、方法和规范,对结构的安全性、可靠性以及使用 寿命做出评价与估计;
(2) 运用过程优化设计方法在满足设计、工艺等约束条 件下,对产品结构性能及工艺过程达到最优;
1970年Swanson成立Swanson Analysis System Inc. (SASI)后来重组后改为ANSYS公司,开发ANSYS软件。
11
CAE发展历史
至此世界上三大致力于有限元分析的著名CAE软件公司相继成 立。

CAE基础讲解

CAE基础讲解
一般零件
返回
左右对称零件
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特殊形状零件
CAE基础
• 冲压方向
冲压CAE要素-冲压方向
1.无负角
2.拉延深度均匀,尽量减小制品前后凸面高度 之差。否则影响成型的稳定性
3.尽量避免侧向力
4.保证凸模与坯料良好的接触状态
5.尽量通过调整后序冲压方向简化工序内容及 降低模具成本
问题点2

a.增大接触面积
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返回
CAE基础
冲压CAE要素-冲孔及修边
•冲孔
1.制件品标中的主副定位孔应在同一序中冲出,且冲孔方向与孔的法向不应大于3度。 2.同一功能安装孔应保证在同一序冲出。
斜 面 上 冲 孔
返回
表2
表1
一般情况下,冲孔角度 遵循表1规范;特殊情 况可按表2处理,但必 须与客户协商
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CAE基础
冲压CAE要素-废料刀
CAE基础
什么是CAE
• CAE-Computer Aided Engineering 计算机辅助工程
• 冲压CAE 应用计算机数值模拟技术模拟冲压成型过程,通 过控制提高成型裕度缩短现场调试周期及降低调试成本。
经验+快速模-最终模具
经验-三维建型-数值模拟-最终模具
反复修正
1
CAE基础
提高制件成型裕度,保证 模具调试和生产的稳定性
OP20
OP30
返回
问题点4
此区域连修带翻
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CAE基础
冲压CAE要素-压边力及成型力
• 压边力及成型力 压边力估值:抗拉强度*料厚*分模线长度/10000 单位:吨
如:抗拉强度=300Mpa, T=0.7,分模线=1000mm-压边力=21吨 外板件压边力一般要相应增加。

CAE基础培训PPT课件

CAE基础培训PPT课件

4、建立装配体 Assembly
5、定义分析步 Step
6、相互作用 Interaction
7、载荷边界 Load
8、提交运算 Job
9、后处理
Visualization
L2.5
可编辑修20改19/9/10
L2.6
L2.7
导入Part
Catia、UG、 Pro/E、Solidwork等CAD软件建好的模型后,另存成iges、sat、step、x_t等格式;然后导 入Abaqus可以直接用。
L2.16
可编辑修20改19/9/10
L2.17
2、划分网格 Mesh
可编辑修20改19/9/10
Mesh
L2.18
可编辑修20改19/9/10
Mesh模块专有
Partition分割,化复为简 拓扑修改,该省就省
特征修改、删除等,很少用到 线、面、体分割工具,辅助网格划分 基准点、线、面及坐标系等 拓扑修改等,辅助网格划分
L2.40
4、建立装配体 Assembly
可编辑修20改19/9/10
建立装配体
L2.41
可编辑修20改19/9/10
Assembly模块专有
特征修改、删除等,很少用到
Partition已讲,见Mesh部分 基准点、线、面及坐标系等
一个模型Model只能包含一个装配件Assembly, 一个部件Part可以被多次调用来组装成装配件, 定义载荷、边界条件、相互作用等操作都在 装 配件的基础上进行。
可编辑修20改19/9/10
线性阵列
Linear Pattern线性阵列
1、选取要进行阵列的部件实体Instance 2、阵列参数设置,阵列方向、数量、偏移量等

chap1-焊接CAE概论

chap1-焊接CAE概论

焊接温度场模拟结果
焊接CAE技术

焊接CAE的应用

焊接温度场的模拟


温度场的模拟是对焊接应力、应变场及焊接过程其他 现象进行模拟的基础,通过温度场的模拟我们可以判 断固相和液相的分界,能够得出焊接熔池形状。 焊接温度场准确模拟的关键在于提供准确的材料属性 ,热源模型与实际热源的拟合程度,热源移动路径的 准确定义,边界条件是否设置恰当等。

CAE技术

CAE技术的作用



增强设计功能,借助计算机分析计算,确保产品设计的 合理性,减少设计成本; 缩短设计和分析的循环周期; CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了 传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程, 虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性; 在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题; 采用优化设计,找出产品设计最佳方案,降低材料的消耗 或成本; 模拟各种试验方案,减少试验时间和经费; 进行事故分析,查找事故原因。
焊接CAE技术

焊接CAE的应用

焊接应力与变形的仿真



对于焊接局部模型,存在非常强烈的非线性特征,材 料经过高温,相变,冷却后会有残余应力,因此对焊 接附近需要进行详细模拟。 而作为整体结构而言,可能又体现为弹性变形,所以 线弹性分析就够了。 因此对于多道焊接的问题,采用先局部,再整体,将 局部模型的内力映射到总体模型上的方法具有很大优 势,能够快速得到整体模型的应力和变形结果。对应 整体模型完全按照局部模型的细节进行仿真,可能计 算量会大的无法承受,事实上也没有必要。
焊接CAE技术

焊接CAE的应用

焊接温度场的模拟

CAE的基本原理

CAE的基本原理

CAE的基本原理1)粘性流体力学的基本方程(1) 广义牛顿定律,反映了一般工程问题范围内粘性流体的应力张量与应变速率张量之间的关系,数学表达式为本构方程。

(2) 质量守恒定律,其含义是流体的质量在运动过程中保持不变,数学表达式为连续性方程。

(3) 动量守恒定律,其含义是流体动量的时间变化率等于作用于其上的外力总和,数学表达式为运动方程。

(4) 热力学第一定律,其含义是系统内能的增加等于对该系统所作的功与加给该系统的能量之和,数学表达式为能量方程。

2)塑料熔体充模流动的简化和假设(1) 由于型腔壁厚(z向)尺寸远小于其他两个方向(x和y方向)的尺寸且塑料熔体粘性较大,所以熔体的充模流动可视为扩展层流,z向的速度分量可忽略不计,且认为压力不沿z向变化。

(2) 充模过程中熔体压力不是很高,因此可视熔体为未压缩流体。

(3) 由于熔体粘性较大,相对于粘性剪切应力而言,惯性力和质量力都很小,可忽略不计。

(4) 在熔体流动方向(x和y方向)上,相对于热对流项而言,热传导项很小,可忽略不计。

(5) 熔体不含内热源。

(6) 在充模过程中,熔体温度变化不大,可认为比热容和导热系数是常数。

(7) 熔体前沿采用平面流前模型。

3)塑料熔体充模流动的控制方程5)数值计算实施过程与策略CAE软件的应用过程。

首先根据制品的几何模型剖分具有一定厚度的三角形单元,对各三角形单元在厚度方向上进行有限差分网格剖分,在此基础上,根据熔体流动控制方程在中性层三角形网格上建立节点压力与流量之间的关系,得到一组以各节点压力为变量的有限元方程,解方程组求得节点压力分布,同时将能量方程离散到有限元网格和有限差分网格上,建立以各节点在各差分层对应位置的温度为未知量的方程组,求解方程组得到节点温度在中性层上的分布及其在厚度方向上的变化,由于压力与温度通过熔体粘度互相影响,因此必须将压力场与温度场进行迭代耦注射温度熔体流入冷却的型腔,因热传导而散失热量。

第一章 CAE技术基础(修改3)

第一章    CAE技术基础(修改3)

第一章CAE技术基础1.1 CAE技术概述现代的质量观念认为:产品的质量优劣取决于性能、可靠性、维修性、安全性、适应性、经济性及时间性这七个基本指标的综合评价结果,特别是性能、可靠性、安全性尤为重要。

设计、开发的产品质量如何,其各项指标是否达到要求,是否具有竞争力,不能等到产品制造出来后才能确定,必须在产品研发过程中通过模拟、计算等方式预先加以分析和评价。

传统的工业设计方法主要依据设计者的经验,以经验做出初步的设计,再由此初步的设计去做出模型,再做出样机。

利用样机进行试验以确保产品的可靠性,而此种方法基本上称为试误法,样机经测试不能满足工程或品质上的要求时,再回去修改原设计图,改进样机然后进行测试。

此种方法研发周期长、费用高、无法适应现代的市场竞争。

计算力学、计算数学、工程管理学的运用,特别是信息技术的飞速发展极大地推动了相关产业和学科研究的进步。

有限元、有限体积及差分等方法与计算机技术相结合,诞生了新兴的跨专业和跨行业的学科。

将计算机引入工程分析领域,对产品的设计方案,产品的性能、可靠性、安全性、经济性等方面的产品质量分析采用计算机辅助工程即CAE(Computer-aided Engineering)技术,可以改进产品研发过程,在完成产品方案设计后,通过CAE技术可以使样机的试验过程在计算机上实现,进行各种分析及设计优化,从而缩短产品的研制周期,降低产品研发费用,由于CAE技术的引入带来了现代产品设计的一场巨大变革。

以电子产品为例,80%的电子产品都来自于高速撞击,研究人员往往耗费大量的时间和成本,针对产品进行相关的质量实验,最常见的如落下与冲击实验,这些不仅耗费大量的研发时间和成本,而且试验本身也存在很对缺陷,表现如下:♦实验发生的历程很短,很难观察实验过程的现象;♦测试条件难以控制,实验的重复性很差;♦实验时很难测量产品内部特性和观察内部现象;♦一般只能得到实验结果,而无法观察实验原因;引入CAE后,可以在产品开模之前,通过相关软件对电子产品模拟进行自由落下实验、模拟冲击实验,以及应力应变分析、振动仿真、温度分布分析等求得设计的最佳解,进而为一次试验甚至无试验即可使产品通过测试规范提供了可能。

焊接仿真技术

焊接仿真技术

关于SYSWELD的相关培训报告汇报人: 张建锋谭明明通过为期5天的SYSWELD软件学习操作,对SYSWELD软件的相关功能作用、操作过程、使用用户情况等有了粗略了解。

现将情况汇报如下:一、对SYSWELD软件的了解SYSWELD是ESI集团开发的一款专门用于进行焊接和热处理模拟分析的软件。

它能真实模拟产品在测试中的性能,精细协调制造过程与预期的产品性能间的关系,并评估环境对产品使用的影响,它的焊接模拟分析包包括有网格划分,焊接向导,解算器及一些必要的模块;集前后处理、解算功能于一体。

ESI集团是在法国巴黎上市的世界最大最著名的CAE软件公司之一。

ESI集团成功的关键在于使用真实材料物理特性,能够进行更真实的模拟,来代替耗时的物理样机尝试和纠错过程。

SYSWELD软件优势如下:1、SYSWELD在焊接方面专注于:手工、气保焊,MIG, TIG, 激光, 电子束焊接等模拟非标准点焊和摩擦焊焊接模拟大型结构件的焊接装配(组装拼焊)2、SYSWELD在热处理方面专注于:淬火,回火,退火,调质,表面硬化…渗碳,渗氮,热化学热处理回火…3、SYSWELD能够引导工程师实现:评估工件残余变形------优化焊接顺序和位置将残余应力降至最小及分布情况------控制过程使应力梯度和表面拉应力最小研究几何、材料和过程参数的敏感性-----在产品开发中减少开发成本优化焊接和热处理工艺过程------控制焊接制造参数诸如速度、能量(主要是电流电压)输入和很多其他参数。

由于它能很好地反应实际情况,目前SYSWELD在国内许多工厂和大学都在应用,如宝钢、内蒙一机、内蒙二机、成飞、沈飞、西安航空发动机集团有限公司、中信重工、中国核动力研究院、合肥等离子物理研究所、南车长江公司、四方车辆厂、南车戚墅堰车辆研究所、南车戚墅堰车辆厂、北车唐山车辆厂、725所、167厂、7102厂、西南交通大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、天津大学、山东大学、大连交通大学、中科院沈阳金属研究所等。

3 CAE理论基础

3  CAE理论基础
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对充模流动模型的认识和建立
注射成型充填过程实际上是一个可压缩粘弹性流体的非稳态非等 温流动的一个相当复杂的过程。人们在认识这一复杂过程中,同认 识其他事物一样,也由简单逐渐深入和全面。 上世纪七十年代初,由Richardson第一次描述了该过程的数学模型, 它将注塑成型充模过程视为不可压缩的牛顿流体的等温流动过程; 后来在Kamal等人的研究中提出了非牛顿流体充模流动的模型; 进一步的研究由Balllman等研究者将充模过程视为非等温非稳态的 过程; 最近,由Wang等人提出了一个描述可压缩性粘弹性流体在非稳态非 等温条件下的一般Hele-Shaw型充模流动、保压及冷却过程统一的数 学模型。
Mold Flow软件包括三部分 软件包括三部分
MoldFlow Plastics Advisers(产品优化顾问,简称MPA):塑料 产品设计师在设计完产品后,运用MPA模拟分析,可以得到优 化的产品设计方案,并确认产品表面质量。 MoldFlow Plastics Insight(注塑成型模拟分析,简称MPI):对 塑料产品和模具进行深入分析的软件包,它可以在计算机上对整 个注塑过程进行模拟分析,包括填充、保压、冷却、翘曲、纤维 取向、结构应力和收缩,以及气体辅助成型分析等,使模具设计 师在设计阶段就找出未来产品可能出现的缺陷,提高一次试模的 成功率。 MoldFlow Plastics Xpert(注塑成型过程控制专家,简称MPX): 集软硬件为一体的注塑成型品质控制专家,可以直接与注塑机控 制器相连,可进行工艺优化和质量监控,自动优化注塑周期、降 低废品率及监控整个生产过程。
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Mold Flow主要模块 主要模块
流动分析-优化模腔的布局、材料填充和保压的工艺参数。 流动分析 冷却分析-分析冷却系统对流动过程的影响,优化冷却管道的布局和 冷却分析 工作条件,与流动分析相结合,可以得到完美的动态注塑过程。 翘曲分析--分析整个塑件的翘曲变形,包括线形、线形弯曲和非线形, 翘曲分析 同时指出产生翘曲的主要原因以及相应的改进措施。 纤维填充取向分析--优化和预测整个注塑过程的纤维取向,使其分布 纤维填充取向分析 合理,从而有效地提高该类塑件的性能。 优化注塑工艺参数--根据给定的模具、注塑机、塑件材料等参数以及 优化注塑工艺参数 流动分析结果自动产生控制注塑机的填充保压曲线。 结构应力分析在考虑注塑工艺的条件下,优化塑件的强度和刚度。 结构应力分析 确定合理的塑料收缩率--确定合理的塑料收缩率,保证模腔的尺寸在 确定合理的塑料收缩率 允许的公差范围内,从而减少塑件废品率,提高产品质量。 气体辅助成型分析--模拟气体辅助注射成型过程,进行优化。 气体辅助成型分析 特殊注塑成型过程分析--可以模拟共注射、反应注射、微芯片封装等 特殊注塑成型过程分析 特殊的注射成型过程,并对其进行优化。

CAE入门资料

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CAE入门资料 二零零六年五月二十日目录目录 (i)第1部 CAE总体概貌 (1)1.应力分析和应力 (2)●应力是什么? (2)●这些地方可用到应力分析! (3)●变形不能忽视! (3)●在此时要用应力分析! (4)●灵活应用应力分析的例子! (6)2屈曲分析和屈曲载荷.屈曲模态 (8)●什么是屈曲? (8)●柱的屈曲 (9)●压力和屈曲载荷的关系 (9)●屈曲模态 (10)●欧拉屈曲 (11)●平板的屈曲 (11)●这时要用到屈曲分析 (13)第2部 CAE基础 (15)1.CAE分析的目的及各种各样的结构模型 (16)1.1铁塔(组合框架结构的例子) (16)●观察位置和模型化 (17)●从远处眺望铁塔 (18)●稍微靠近点眺望铁塔 (19)●再走近一点眺望铁塔 (20)●再更近一点眺望铁塔 (21)1.2电车(板架结构的例子) (22)●考虑电车(板架结构)的模型化 (22)●遥远处眺望电车 (23)●从近处眺望电车 (24)●考虑载荷的模型化 (24)●再更近一点来观察电车 (26)1.3火箭(壳结构例子) (27)●火箭的模型化 (27)●从远处来眺望火箭 (27)●在近处眺望火箭 (29)●再近一点眺望火箭 (29)1.4活塞(实体形状的例子) (30)2.「弹簧模型」和有限元法 (33)●弹簧的行为和[弹簧模型] (33)●弹簧的自由度 (36)●约束决定问题 (40)●约束,就是消灭自由度 (41)●多个弹簧和[弹簧模型]的合成 (41)●弹簧和模型化的具体步骤 (42)●圆棒和[弹簧模型] (48)●变截面圆棒和[弹簧模型] (50)●变截面圆棒和有限元模型 (51)3.有限元法分析的实例 (56)●从身边的例子开始 (56)●分析目的要明确 (56)●结构A,根据约束条件来作模型化 (57)3.1[梁单元]和有限元模型 (58)●目的之1:[想知道构件的弯曲变形......]. (58)●由几何模型生成单元节点 (59)●单元类型和单元特性 (60)●梁单元的特点 (60)●单元特性和材料的特性为什么是必须的? (61)●具体来算算梁单元的剖面特性 (62)●弹性材料的重要“E、V、G”三角关系! (63)●约束条件和结构A的模型化 (64)●自由端的载荷模型化 (65)●执行分析 (66)●显示构件的变形 (66)●反力的应用 (68)3.2[2维单元]和有限元模型 (69)●目的之2:[想知道构件的强度......] (69)●由3维形状出发进行无板厚的模型化处理! (70)●分析的目的就是求2维应力状态! (71)●设置板厚 (74)●结构A作为边界条件进行模型化处理 (75)●约束掉不起作用的自由度 (76)●把载荷分到多个节点上去 (77)●执行分析 (79)●用应力来评价强度 (80)●显示应力的功能 (82)3.3[3维单元]和有限元模型 (83)●制作步骤 (84)●将构件照原样进行划分 (85)●[3维单元]求3维应力状态 (86)●没有必要设置单元特性 (86)●把结构A作为边界条件进行模型化处理 (87)●无用的自由度约束掉 (88)●载荷的模型化很简单 (89)●执行分析 (90)●那么,结果呢? (91)4.屈曲分析和特征值分析 (93)●屈曲分析载荷设置是关键 (94)●特征值分析一定要有质量 (94)5.试试看分析一下 (96)5.1应力分析 (96)5.2屈曲分析 (97)5.3特征值分析 (98)第3部应用篇CAE的应用 (100)1.结构模型和单元选择 (101)1.单元选择的方针 (101)2.梁单元和框架结构 (102)2.1杆单元 (103)2.2梁单元(框架) (103)2.3杆单元.梁单元的剖面特性和单元坐标 (104)3.板单元 (105)3.1板单元和单元坐标 (107)4.实体单元和三维结构 (108)4.1实体单元 (109)4.2板单元和实体单元的种类 (110)5.板单元、实体单元和轴对称结构 (111)6.1阶单元和2阶单元 (112)7.刚体(Rigid)单元 (113)8.质量单元 (114)9.良好的单元划分 (114)(1)单元划分的大小 (114)(2)二维单元 (115)(3)单元的分割类型 (116)(4)单元的长宽比(形状比) (116)(5)实体单元 (117)(6)其它单元划分形状上的注意事项 (117)10.材料物理特性的输入 (119)11.单元自动生成后的检查 (120)(1)重节点的合并 (120)(2)重新编号 (121)(3)单元的重复定义 (121)(4)扭曲单元的修改 (121)(5)单元正反面的调整 (122)12.单元和自由度 (122)13.约束条件 (124)13.1约束给定的方法和分类 (124)14.输入载荷 (125)15.复合结构的例子(实体单元和梁单元、板单元的结合) (126)16.单元输出 (128)17.分析时必要的输入项目 (128)2.材料力学和有限元法 (129)2.1载荷与位移 (129)2.2载荷(load) (130)2.3应力(stress) (132)(1)应力的定义 (132)(2)应力的种类 (133)(3)点的应力 (134)2.4应变(strain)和位移(displacement) (135)2.5应力和应变的关系 (136)2.6弹性模量 (138)2.7构件的种类 (140)2.8容许应力和安全系数 (140)(1)设计时应考虑的因素 (141)(2)为了产品不会损坏 (141)(3)基于容许应力和安全系数的设计方法 (142)(4)为使产品不会屈曲 (143)(5)为使产品不会疲劳破坏 (143)(6)为使产品不产生共振 (143)(7)为使产品变形而不造成坏影响 (143)2.9有限元法的理论 (144)(1)有限元法的理论 (144)(2)看不见的有限元的内容 (144)3.较专门的分析 (146)3.1局部分析和应力集中 (146)3.1.1分析的特征 (146)3.1.2局部分析的实行 (147)3.1.3模型化 (149)3.1.4输出和评价 (150)3.2具有对称性结构的分析 (150)3.2.1分析特征 (151)3.2.2模型化 (151)3.2.3其它对称模型 (156)3.2.4输出和评价 (158)3.3大规模结构的分析 (158)3.4热应力分析 (159)3.4.1分析特征 (159)3.4.2分析的实行 (160)3.4.3模型化 (161)3.4.4输出和评价 (162)3.5振动响应分析 (163)3.5.1分析的特征 (163)3.5.2分析执行 (164)3.5.3模型化 (165)3.5.4输出和评价 (167)3.6大变形分析和屈曲 (167)(1)概要 (167)(2)执行 (168)(3)必须进行大变形分析的例子 (169)3.7接触和磨擦 (169)(1)概要 (169)(2)接触单元 (170)3.8弹塑性分析 (171)(1)概要 (171)(2)执行 (172)3.9蠕变分析 (172)(1)概要 (172)(2)执行 (173)3.10超弹性分析 (173)(1)概要 (173)(2)执行 (174)3.11非线性分析的一般注意事项 (174)第一部 CAE总体概貌第1部 CAE总体概貌第一部分是作为进入有限元法内容前的准备,讲述了在设计时CAE所处的地位,考虑的方法,在设计时怎样来利用CAE,以及讲述了它的历史背景和有关的预备知识。

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Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
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材料加工的计算机模拟与仿真
Multipass submerged arc welding
Comparison of transverse residual stresses between simulation and X-Ray diffraction
Monte Carlo Simulation of Grain Growth in Metals
• 2-D simulation • 3-D simulation
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Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
疲劳性能等)与可靠性分析等等
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Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
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材料加工的计算机模拟与仿真
焊接数值模拟:其他焊接方法
• 电阻点焊
– 熔核的形成与控制,性能预测与分析
• 扩散焊
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材料加工的计算机模拟与仿真
Resistance Welding Temperature Distribution (thermal-electrical interactions)
The following quicktime movie shows typical heating and cooling during resistance welding process in a steel sheet. The movie shows only 1/4th of the geometry due to symetry.
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材料加工的计算机模拟与仿真
Neural Network for Pulsed - Laser Welding Process
• There are four variables that appear to control the weld pool shape are laser power, welding speed, laser pulse power and laser pulse duration. The interaction between these variables were experimentally studied and an artificial neural network was constructed. Typical calculations from the neural netwrok are shown below.
• Effect of welding speed • Effect of laser power • Effect of laser pulse energy • Effect of laser pulse duration
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Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
Figure: BMW series 5 rear suspension system
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Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
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材料加工的计算机模拟与仿真
Hypermesh modeling of the wing of rear axle system
熔池中气体的吸收 各种氧化物氮化物的形成及其作为非均质核心的可能 凝固-熔质元素分布(偏析)凝固组织大小,结晶路径,BTR区间等
• 结构部分
– 热过程-温度分布,预测热影响区大小,冷却时间,Tmax,th,t8/5等 – 力过程-应力应变过程,残余应力和变形,预测裂纹,控制残余应力和变形 – 冶金过程-晶粒长大,相变,氢扩散,接头组织性能预测,冷裂敏感性预测等 – 接头性能与服役行为-不均质、存在缺陷、残余应力-断裂行为(韧性,强度,
• Simulation with flat electrode Simulation with radius of electrode = 156 mm Simulation with radius of electrode = 35 mm Simulation with radius of electrode = 35 mm (but with 0.1 times contact resistance)
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Figure: Solid Hypermesh model of the part
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材料加工的计算机模拟与仿真
Simulation of welding distortion and residual stresses
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材料加工的计算机模拟与仿真
Thermal - Electrical - Mechanical Interactions of RSW
Three way coupled model allows one to depict the effects of electrode curvature on the weld development.
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材料加工的计算机模拟与仿真
焊接数值模拟的研究:电弧焊
• 电弧部分
– 流场、温度场、电场 – 研究各种工艺参数(电流、电压、弧柱气氛,电极伸出长度等等)对温度场,电
流密度,压降分布以及熔滴过渡过程的影响规律
• 熔池部分
– 熔池形状 – 流场、温度场,主要研究成分和工艺因素对熔池形状的影响,针对焊缝形状控制 – 冶金过程
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材料加工的计算机模拟与仿真
焊接数值分析的内容
• 焊接熔池中的流体动力学和热过程 • 热源与金属的相互作用
– 焊接电弧物理,焊接电弧的传热与传质
• 电弧作用于熔池表面的热能和压力分布 • 熔池表面的变形 • 液态金属的蒸发 • 氢及氮氧等在熔池及环境之间的分配
• 焊接冶金和焊接接头组织性能的预测,包括相变过程 • 焊接应力与变形 • 焊接过程中的氢扩散 • 特种焊的数值模拟
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材料加工的计算机模拟与仿真
焊接数值模拟:其他加热工艺
• 热处理
– 包括焊后热处理等对应力和变形的影响等等
• 热校核
– 焊后产生变形,用局部加热的方法校正,研 究加热部位,加热量等因素的影响
• 热成形
– 确定加热部位,热源强度,加热时间等等; 可以实现变形的精确控制
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Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
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材料加工的计算机模拟与仿真
Aluminium welding of BMW suspension parts
At BMW, SYSWELD is used to predict distortions and residual stresses on welded aluminum frame parts. An example is the wing of the rear axis system of a BMW series 5. The wing is made out of three hydroformed, thick-walled aluminum parts which are welded together by 8 welding joints in a certain sequence.
材料加工的计算机模拟与仿真
焊接过程的数值模拟
• 概述
– 焊接过程数值分析的内容 – 焊接过程的特点 – 焊接过程中温度-应力和变形-组织转变
的关系 – 焊接过程数值分析的主要困难
2019/11/3
Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
The simulation gives excellent results on distortions and residual stresses, in comparison with a large series of measurements. The predicted distortions have been within the range of the distortions accessed at the production.
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材料加工的计算机模拟与仿真
Industrial welding processes
spot
welding
Electron beam welding GTA welding MIG welding
Laser welding
Multipass submerged istortions after unclamping, values strongly amplified
2019/11/3
Zhao Haiyan, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University
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