基于软件集成环境下的焊接模拟仿真

基于软件集成环境下的焊接模拟仿真

摘要：在焊接工艺仿真过程中，由于多种软件之间数据转化比较困难，且每一条焊缝均需要设定一个工况，使得有限元前处理过程复杂，而且效率较低。根据PRO/E，Hyper Mesh和MSC Marc软件的特点，综合运用软件各自优势，并辅助一定的二次开发功能，完成MAG焊接从几何建模、网格划分、模型设定、分析计算到结果处理的整个过程，实现不同软件之间的数据交互。平板对接实例表明，通过软件集成进行焊接过程的仿真研究，充分利用了现有软件的优势，减少了CAE前处理工作量，提高了分析效率。

关键词：二次开发；TCL/TK；软件集成；焊接仿真

中图分类号：TG456.2文献标识码：A文章编号：

0 引言

有限元法作为求解复杂工程问题的重要方法，应用非常广泛[1]。随着计算机技术的发展，越来越多的科技工作者从事工艺仿真过程的研究，以期达到优化设计和工艺参数，减少试验成本，提高生产效率及产品质量的目的。在焊接领域中，利用数值模拟优化工艺已经取得了许多进展[2]。但是在模型的前处理过程中，每个焊道都必须对应着一个工况，同时还需要对焊接路径，焊道填充以及边界条件等进行设定。当进行整个结构件的焊接过程时，效率极低。

在工程应用中，各类专用有限元的软件在几何建模、网格划分、分析计算等方面各有特色。虽然很多情况下只需要一种软件就能完成整个模型的分析过程，但是模型的前处理比较复杂，效率不高且容易出错[3]。因此，充分利用各软件的优势，对软件的环境进行集成显得尤为必要。

本文通过利用TCL/TK语言将PRO/E，Hyper Mesh及MSC. Marc进行集成，并说明如何利用现有的软件资源，建立软件的集成环境，这一方法大大减少了MSC. Marc 进行焊接仿真分析前处理的工作量，为利用MSC. Marc强大的非线性功能进行焊接工艺及方法的研究奠定了基础。

1 焊接仿真分析的流程

采用热弹塑性有限元方法进行焊接仿真分析的流程见图1所示[4]。首先将几何模型转化成网格模型，然后输入焊接热源参数及材料参数，并且施加热边界条件，进行求解后完成焊接温度场的计算。在焊接结构分析中，以温度场及结构约束为边界条件，进行焊接变形及焊接残余应力的分析。

图1 焊接仿真分析流程

Fig. 1 Analysis process of welding simulation

2 软件集成方法研究

基于上述的分析流程，笔者采用

TCL/TK语言为媒介，对Hyper Mesh进行二次开发，通过耦合和集成各软件，按照一定的顺序，通过执行相应的命令完成如图2所示的数据流动，并利用*createbutton及

*beginmacro等命令将TCL/TK命令文件在Hyper Mesh中定义为宏按钮，以便程序的调用，形成如图3所示的程序开发界面[5]。软件的执行流程如图4所示。

图2 数据流动图

Fig. 2 Diagram of data flow

图3 软件开发的界面

Fig. 3 Software development interface

开始

选择工

作目录

结束/退出否

否导入几何模型

并划分网格写入散热及初始条件

添加材料信息

检索约束信息

选择焊道组件

获得焊道个数N

N ≥0

选择焊道组件i

添加焊接及参考线

weldfiller 设定

焊接边界设定

焊接工况设定

i ≤N i=i+1

输出INP 网格文件

结果参数设定

生成MARC 命令是是是

是否

否是

是否

否自动计算热源参数

输入工艺参数

图4 软件执行流程

Fig. 4 A flow diagram of the software

首先通过执行*feinputwithdata2使其读入PROE 模型文件，对模型进行网格划分，通过hm_getfloat 读入焊接工艺参数，通过*createmarkpanel 选择约束及焊道组件，依据设定好的计算参数生成焊接边界、焊接工况以及inp 网格文件及求解文件。在MSC. Marc 中，通过对命令的执行，完成焊接仿真的模拟。

3 软件集成综合运用实例

3.1 物理模型建立

两块尺寸为200mm×200mm×10mm 开V 型坡口的平板对接焊，材料为Q345钢。

几何模型如图5所示。采用MAG 方法，焊接工艺参数如表1所示。

图5 平板对接焊几何模型 Fig. 5 Geometrical model of butt plate

表1 焊接工艺参数 Table 1 Welding process parameters

道数

电流

I/A

电压

U/V 焊接速度 V/(mm·s -1)

第一道 240 28 5 第二道 295 32 7 第三道

295

32 7

3.2 有限元模型建立

单击import geometry ，读入PROE 的模型文件，对模型进行实体单元网格划分，为

保证计算精度，母材网格划分为2~3层，为提高计算速度，将焊缝和热影响区的单元网格控制在2mm ，而远离焊缝区域的网格控制在6mm

错误!未找到引用源。

。

根据上述的焊接工艺，点击input weld velocity ，输入焊接速度等数据；点击assign material 输入如图6所示的Q345动态热物理性能参数；根据MAG 焊接特点及现场的约束方式，选择Goldark 双椭球体热源，作为焊接热源边界条件、换热系数设置为0.02N/mm 2/sec/K 、采用位移约束定义力学边界条件，点击add constrain 设定热源类型，散热系数及力学边界条件。