基于ANSYS的温度场模拟

基于ANSYS的温度场模拟
作者：欧青华
来源：《西部论丛》2018年第07期
1 引言
传统的针对军用装备的焊接维修方式已经明显不能适应现代战争的需要，战争对装备的毁坏是巨大的，因此，需要在技术上有大幅度提高，保证维修过程的迅速准确。

随着现代科技的发展，数学模型和数值模拟技术的应用越来越广泛。

倘若对工程装备的焊接能够通过计算机进行模拟，我们就能够通过计算机系统来确定焊接的最佳设计、最佳参数和最佳工艺。

通过数值模拟可以在很大程度上节约战场人力、物力和拓展战场时间，特别是面对复杂的大型军用装备，该类型军用装备结构复杂，焊接过程中需要更精确的参数，随着计算机技术的发展以及有限元法的建立，越来越多的焊接工作者利用数值模拟技术研究焊接问题，并取得了丰富的成果。

本文在总结前人工作的基础上，全面系统地论述了焊接温度场的基本理论，并应用有限元分析软件ANSYS对平板堆焊温度场进行了军用工程机械数值模拟计算。

本文主要内容为：
1.通过对高斯热源的焊接温度场进行模拟，讨论了焊接参数对温度场的影响。

2.用直接法模拟计算焊接温度场，得出最佳参数。

军用工程机械焊接数值模拟的现实意义在于，根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化工艺参数，从而减少不必要工作，提高焊接质量和效能。

2 有限元分析的理论基础
有限元法（Finite Element Method， FEM），又称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。

它是随着电子计算机技术的发展而迅速发展起来的一种新型现代计算方法。

2.1 有限元法介绍
将物理结构分割成不同类型、不同大小的区域，这些区域就称为单元。

根据不同进行科学分析，推导出每一个单元的作用力方程，集成整个结构的系统方程，最后求解该系统方程并得出结论的方法，就是有限元法。

简单地说，有限元法是一种离散化的数值方法。

离散后的单元与单元间只通过节点相联系，将所有力和位移都进行简化，通过节点进行计算。

对每个相应单元，选取合适的插值函数，使得该函数在子域内部、自语分界面上以及子域与外界分界面上都
满足一定的条件。

然后将所有单元的方程组合起来，得到整个结构的方程。

求解该方程，最终可以得到结构的近似解。

离散化是有限元方法的理论基础。

必须根据结构的实际情况，决定单元的数目、类型、大小、形状以及排列方式。

其目的是：将整个结构分割成足够小的单元，使得简单位移模型足够近似地表示精确解。

注意，又不能太小，否则计算量很大。

2.2 ANSYS软件介绍
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件。

能够进行包括结构、声、热、流体、电磁场等科学的研究，在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、日用家电等各个领域有着十分广泛的应用。

ANSYS总共包括100多个单元，提供了对各种物理场量的分析功能，可以将其应用到如下学科：
ANSYS的设计优化功能可以优化任何方面的约束变量和设计变量，如形状、应力、自然频率、温度、磁势、压力、速度或离散量等，并可进行参数、形状、拓扑优化。

ANSYS软件主要包括以下三个部分：
1.前处理模块，前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；
2.分析计算模块，分析计算模块包括可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析以及多物理场的藕合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；
3.后处理模块，后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

2.3 焊接有限元模型的简化
焊接是涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。

焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等等。

它们之间的相互关系如图3.1所示。

图中十分强调相变行为的影响，并显示出有限元分析中基本输入和输出参数。

在焊接热力学模拟时，通常着重考虑温度场、应力、变形及显微组织之间相互影响，而忽略其它因素，因此图3.1可简化为图3.2。

图3.2中箭头表示是相互的影响：实线箭头表示强烈的影响，虚线箭头表示较弱的影响。

从图1.2可以看出，影响焊接应力应变的因素有焊接温度場和金属显微组织，而焊接应力应变场对温度场和显微组织的影响却很小，所以在分析时，一般仅考虑单向藕合问题，即焊接温度场和金属显微组织对焊接应力应变场的影响，而不考虑应力场对它们的影响。

但如果焊件的应力应变大到影响焊件温度场分布，就不得不考虑双向耦合了，本文研究焊接温度场和应力应变场双向耦合的条件下进行计算。

此外，金属相变对焊接温度场有影响，但影响不是很大，因为考虑相变潜热对其温度场的影响较容易，所以本文考虑它对温度场的影响。

3 焊接温度场模拟
根据前文可知焊接过程温度场分析是属于瞬态热分析范畴，其应力分析则属于热—力耦合分析。

对于焊接的热应力研究，ANSYS提供了三种进行热应力分析的方法：
1、在结构应力分析中直接定义节点的温度如果所有节点温度已知，则可以通过BF ，BFE 或BFK命令直接定义节点温度。

节点温度在应力分析中作为体载荷，而不是节点自由度。

2、间接法首先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构应力分析中。

3、直接法使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析的结果。

如果节点温度已知，可直接使用第一种方法，但是节点温度一般很难知道，所以，在大多数情况下推荐使用第二种和第三种方法一一间接法和直接法。

在选用直接法和间接法时主要考虑热分析的结果对结构应力分析的影响程度。

（1）间接法可以使用所有热分析和结构分析的功能。

如果热分析是瞬态的，只需要找出温度梯度最大的时间点，并将此时间点的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中。

一般来说，在热分析结果对应力分析影响比较小的情况下，即主要考虑热分析结果对结构应力分析的影响，而不考虑结构应力分析结果反过来对热分析的影响时，这种单向耦合计算结构应力场选用间接法。

（2）直接法主要用于热与结构的双向藕合，即热分析的结果影响结构应力分析，同时结构变形又会影响热分析。

这种顺序耦合计算结構应力一般选用直接法。

但在本课题研究中，本文采用了直接法进行数值模拟。

基于ANSYS的焊接过程模拟主要有以下过程：
1、建模包括建立几何模型、确定材料的特性参数、网格划分
2、边界条件的处理包括建立几何约束条件、环境条件的处理
3、确定移动热源包括确定移动热源模型及加载
4、确定载荷步骤包括加热过程中的载荷时间步长及冷却过程中时间步长处理
本文根据上述的步骤通过下图的模型对基于ANSYS焊接数值模拟中的关键技术进行了阐述。

由于计算机硬件条件的限制，计算中试件的尺寸选的较小。

工件尺寸为120mm x 120mm x 6mm，材料为25#钢，电弧中心在KI线上沿X方向移动。

实际模型简图如图1.3所示。

焊接参数如下：
电弧电压U=25V；焊接电流I=180A；焊接速度=10mm/s；
焊接热效率η=0.75；电弧有效加热半径R=6mm。

3.1 几何模型的确定
一般地，在焊接过程中，焊接熔池、被焊工件之间甚至被焊工件与焊嘴之间均发生着剧烈的物理、化学反应，其间包括焊接熔池中的流体动力学和热过程，热源与金属间的相互作用，焊缝金属凝固和焊接接头的相变过程。

每种现象互相关联但又各自自成一体，而具体到本文的内容则着重分析焊接结构的温度场的瞬态变化情况。

因而，在进行仿真分析时，应该弱化处理甚至不处理那些对温度场影响微弱的因素。

例如，针对焊接熔池中的流体动力学和热过程，可以仅考虑熔池内部液态金属对流传热对熔池形状的影响结果，而对其中液态金属具体如何流动以及表面张力梯度如何变化等问题不做细致分析。

另外，考虑到厚板三维模型网格划分后其单元数量庞大，使得计算时间过长：材料物理参数的严重非线性导致求解过程收敛困难；焊接过程影响了数值模拟的精度等诸多因素，需对分析模型进行适当简化处理（例如减小模型尺寸），并作如下的假设：
1.焊件的初始温度为室温（25℃）；
2.忽略熔池内部的化学反应和搅拌、对流等现象；
3.焊接以恒定速度V进行，电弧的能量密度服从高斯分布；
4.不考虑焊件与实验台之间的热传导，假设焊件的所有外边界仅与空气发生对流换热，将辐射换热的影响祸合到对流换热中，而不作单独考虑；
5.忽略焊条与母材材料的不一致性，对应统一的随温度变化的热物性参数。

在ANSYS中，如果分析对象呈对称的几何形状，并且所受载荷也对称，则可考虑只计算模型的一部分，并且在对称点、面、线或面上施加对称边界条件。

本文所研究的是同种工件的对接焊，工件形状及其载荷均沿焊缝对称故而，可以只考虑对其中的一半建模。

3.2 焊接温度场结果分析
下面是焊接过程的各时间段的温度场分布云图。

其中图1.5-1.8为加热过程的温度场分布云图，图1.9-1.12为冷却过程的温度场分布云图。

从图1.5-1.8的焊接加热过程的温度场分布云图上我们可以看到，加热开始一段时间内，温度很不稳定，而且焊件升温迅速。

经过一段时间后，焊件上会形成准稳定温度场，即焊件上各点的温度虽然随时间变化，但各点固定的温度跟随热源一起移动。

可以清楚地看到，进入准稳定状态后，温度云图上的等温线形状呈现为以焊接方向为长轴的四分之一近似椭圆形，焊接热源前方等温线密集，温度梯度大，后方等温线稀疏，温度梯度小。

从13s后，焊件进入冷却阶段，焊件的温度下降很快，等温线的范围不断扩大，最后各点温度逐渐趋于环境温度。

4 本文小结
本文主要在军用工程机械焊接中引入的有限元方法进行了简单的介绍，对装备维修中涉及的焊接模型进行了简化，利用ANSYS强大的后处理功能对不同时刻的焊接温度场分布情况进行了分析，准确掌握了各个阶段的合理数值，为今后从事军事装备焊接研究提供了方向，为进一步提高军事装备的作战能力奠定了一定的技术基础。