張立平 ，張貴芝 ，吳 斌 ，周鵬翔 ，占小紅

（1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州221004；2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械有限公司 高端工程機(jī)械智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221004；3.徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇 徐州 221004；4.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106）

基于軟件集成環(huán)境下的焊接模擬仿真

張立平 1，2，張貴芝 1，2，吳 斌 1，2，周鵬翔 3，占小紅 4

（1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州221004；2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械有限公司 高端工程機(jī)械智能制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221004；3.徐州徐工隨車起重機(jī)有限公司，江蘇 徐州 221004；4.南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106）

在焊接工藝仿真過程中，由于多種軟件之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化比較困難，且每一條焊縫均需要設(shè)定一個(gè)工況，使得有限元前處理過程復(fù)雜，而且效率較低。根據(jù)PRO/E，Hyper Mesh和MSC Marc軟件的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用軟件的各自優(yōu)勢，并輔助一定的二次開發(fā)功能，完成MAG焊接從幾何建模、網(wǎng)格劃分、模型設(shè)定、分析計(jì)算到結(jié)果處理的整個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)不同軟件之間的數(shù)據(jù)交互。平板對接實(shí)例表明，通過軟件集成進(jìn)行焊接過程的仿真研究，充分利用了現(xiàn)有軟件的優(yōu)勢，減少了CAE前處理工作量，提高了分析效率。

二次開發(fā)；TCL/TK；軟件集成；焊接仿真

0 前言

有限元法作為求解復(fù)雜工程問題的重要方法，應(yīng)用非常廣泛[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工藝仿真過程的研究越來越多，以期達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)、減少試驗(yàn)成本、提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量的目的。在焊接領(lǐng)域中，利用數(shù)值模擬優(yōu)化工藝已經(jīng)取得許多進(jìn)展[2]。但是在模型的前處理過程中，每個(gè)焊道都必須對應(yīng)一個(gè)工況，同時(shí)還需設(shè)定焊接路徑、焊道填充以及邊界條件等。當(dāng)進(jìn)行整個(gè)結(jié)構(gòu)件的焊接時(shí)，效率極低。

在工程應(yīng)用中，各類專用有限元的軟件在幾何建模、網(wǎng)格劃分、分析計(jì)算等方面各有特色。雖然很多情況下只需要一種軟件就能完成整個(gè)模型的分析，但是模型的前處理比較復(fù)雜，效率不高且容易出錯[3]。因此，充分利用各軟件的優(yōu)勢，集成軟件環(huán)境顯得尤為必要。

本研究利用TCL/TK語言集成 PRO/E、Hyper Mesh及MSC.Marc，分析如何利用現(xiàn)有的軟件資源建立集成環(huán)境，大大減少了MSC.Marc焊接仿真分析前處理的工作量，為利用MSC.Marc強(qiáng)大的非線性功能進(jìn)行焊接工藝及方法的研究奠定了基礎(chǔ)。

1 焊接仿真分析流程

采用熱彈塑性有限元方法進(jìn)行焊接仿真分析流程如圖1所示[4]。首先將幾何模型轉(zhuǎn)化成網(wǎng)格模型，然后輸入焊接熱源參數(shù)和材料參數(shù)，并施加熱邊界條件，進(jìn)行求解后完成焊接溫度場的計(jì)算。在焊接結(jié)構(gòu)分析中，以溫度場和結(jié)構(gòu)約束為邊界條件進(jìn)行焊接變形及焊接殘余應(yīng)力的分析。

圖1 焊接仿真分析流程Fig.1 Analysis process of welding simulation

2 軟件集成方法

采用TCL/TK語言對Hyper Mesh進(jìn)行二次開發(fā)，通過耦合和集成各軟件按照一定的順序執(zhí)行相應(yīng)的命令完成如圖2所示的數(shù)據(jù)流動。

圖2 數(shù)據(jù)流動Fig.2 Diagram of data flow

利用*createbutton和*beginmacro等命令將TCL/TK命令文件在Hyper Mesh中定義為宏按鈕，以便程序的調(diào)用，形成如圖3所示的程序開發(fā)界面[5]。軟件的執(zhí)行流程如圖4所示。

圖3 軟件開發(fā)的界面Fig.3 Software development interface

圖4 軟件執(zhí)行流程Fig.4 Flow diagram of the software

首先通過執(zhí)行*feinputwithdata2使其讀入PROE模型文件，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過hm_getfloat讀入焊接工藝參數(shù)，通過*createmarkpanel選擇約束及焊道組件，依據(jù)設(shè)定好的計(jì)算參數(shù)生成焊接邊界、焊接工況以及inp網(wǎng)格文件及求解文件。在MSC.Marc中通過執(zhí)行命令完成焊接仿真的模擬。

3 軟件集成綜合運(yùn)用實(shí)例

3.1 物理模型建立

兩塊Q345鋼尺寸為200 mm×200 mm×10 mm開V型坡口進(jìn)行平板對接焊。幾何模型如圖5所示。MAG焊接工藝參數(shù)如表1所示。

圖5 平板對接焊幾何模型Fig.5 Geometrical model of butt plate

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Welding process parameters

3.2 有限元模型建立

單擊import geometry，讀入PROE的模型文件，對模型進(jìn)行實(shí)體單元網(wǎng)格劃分；為保證計(jì)算精度，母材網(wǎng)格劃分為2～3層；為提高計(jì)算速度，將焊縫和熱影響區(qū)的單元網(wǎng)格控制在2 mm，而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格控制在6 mm[6]。

點(diǎn)擊input weld velocity，輸入焊接速度等數(shù)據(jù)；點(diǎn)擊assign material輸入如圖6所示的Q345動態(tài)熱物理性能參數(shù)；根據(jù)MAG焊接特點(diǎn)及現(xiàn)場約束方式，選擇Goldark雙橢球體熱源作為焊接熱源邊界條件，換熱系數(shù)設(shè)置為 0.02 N/mm2·sec·K，采用位移約束定義力學(xué)邊界條件，點(diǎn)擊add constrain設(shè)定熱源類型、散熱系數(shù)及力學(xué)邊界條件。

圖6 Q345熱-力參量與溫度的關(guān)系Fig.6 Relationship between thermo-mechanical parameters and temperature of Q345

設(shè)定完上述參數(shù)后，點(diǎn)擊choose weldcomp選擇焊道組件，采用節(jié)點(diǎn)法定義焊接線和參考線，程序自動計(jì)算焊道的截面積，確定雙橢球熱源的參數(shù)，自動計(jì)算焊道長度，并根據(jù)焊接速度計(jì)算出焊接時(shí)間，從而完成焊接邊界、焊接工況的設(shè)定，并輸出命令。

點(diǎn)擊job result按鈕，根據(jù)網(wǎng)格數(shù)量自動對模型進(jìn)行分塊設(shè)定，并設(shè)定提取焊接變形、焊接殘余應(yīng)力等結(jié)果。

單擊output inp file和output marc command輸出MSC.Marc計(jì)算需要的網(wǎng)格文件及命令文件，并啟動MSC.Marc自動生成計(jì)算需要的dat文件。部分命令如下所示。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算完成后，提取對接接頭的總體變形情況，如圖7所示。

圖7 焊接變形云圖Fig.7 Contour of welding deformation

由圖7可知，對接平板橫向收縮的主要原因是母材在焊接過程中首先受熱膨脹，當(dāng)焊縫金屬凝固時(shí)，已膨脹的母材金屬必然收縮，而該收縮就是對接接頭橫向收縮的主要組成部分。沿焊縫方向發(fā)生縱向收縮，主要在焊縫首尾處。平板垂直焊縫方向上呈收縮狀態(tài)，遠(yuǎn)離焊縫兩側(cè)的母材邊緣向上翹曲，造成角變形，變形趨勢與實(shí)際情況相吻合。

計(jì)算完成后，提取對接接頭的焊接殘余應(yīng)力分布情況，如圖8所示。

圖8 焊接殘余應(yīng)力云圖Fig.8 Contour of welding residual stress distribution

由圖8a可知，隨著距焊縫中心距離的減小，垂直焊縫方向上橫向殘余應(yīng)力呈遞增趨勢，至熱影響區(qū)應(yīng)力達(dá)到最大，焊縫上應(yīng)力有所回落，且焊縫兩側(cè)母材處應(yīng)力呈對稱分布；圖8b為沿焊縫方向的縱向殘余應(yīng)力云圖。焊縫及其附近區(qū)域受拉應(yīng)力，兩側(cè)受壓。焊道中間拉應(yīng)力最大，向兩端逐漸減小。

3.4 分析時(shí)間

針對該模型分別采用軟件集成與否進(jìn)行計(jì)算對比，如表2所示。集成前后網(wǎng)格劃分和模型計(jì)算工作耗時(shí)相同，而軟件集成后模型處理時(shí)間減少50%，大大減少了MSC.Marc進(jìn)行焊接仿真分析前處理的工作量，提高了焊接模擬計(jì)算效率。

表2 軟件集成前后焊接模擬仿真對比Table 2 Comparison of welding simulation between nonsoftware integration and software integration s

4 結(jié)論

采用TCL/TK語言集成各軟件，綜合運(yùn)用多種軟件進(jìn)行分析及前后處理，使幾何建模、網(wǎng)格劃分及模型設(shè)定等過程操作方便，實(shí)現(xiàn)資源的有效共享，極大減少了模型在MSC.Marc焊接邊界條件設(shè)定的工作量，將焊接邊界條件設(shè)定的時(shí)間縮短50%，有效地提高計(jì)算分析效率。綜合應(yīng)用多軟件解決工程實(shí)際問題，整個(gè)處理過程條理清楚，相對于單一軟件處理，提高了解決問題的效率和精度。

[1]蔣學(xué)武，吳新躍，朱石堅(jiān).綜合應(yīng)用UG，HyperMesh和MSC Marc軟件進(jìn)行有限元分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2007，16（2）：11-14.

[2]蔡志鵬，趙海燕，吳梗，等.串熱源模型及其在焊接數(shù)值模擬中的應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2001，37（4）：25-28.

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[5]王鈺棟，金磊，洪清泉.HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

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Welding simulation in software integration environment

ZHANG Liping1，2，ZHANG Guizhi1，2，WU Bin1，2，ZHOU Pengxiang3，ZHAN Xiaohong4
（1.Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China；2.State key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Advanced Construction Machinery，XCMG Construction Machinery Co.，Ltd.，Xuzhou 221004，China；3.XCMG Xuzhou Truck-Mounted Crane Co.，Ltd.，Xuzhou 221004，China；4.Najing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

In the process of welding simulation，it was difficult to convert data among different software，and also needed to set a single load case for each welding seam，which made the finite element pre-processing complicated and low efficiency.The PRO/E，Hyper Mesh and MSC Marc software were synthetically applied in the whole process of MAG welding from geometric modeling，meshing，model setting，calculating and analyzing to result processing based on their respective characteristic and secondary development function，and achieved data exchange between different software.Examples of butt plates welding showed that the simulation of welding process through software integration made full use of the advantages of the existing software，decreased the workload of CAE pretreatment，and improved the efficiency of analysis.

secondary development；TCL/TK；software integration；welding simulation

TG409

A

1001－2303（2017）11－0052-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.10

本文參考文獻(xiàn)引用格式：張立平，張貴芝，吳斌，等.基于軟件集成環(huán)境下的焊接模擬仿真[J].電焊機(jī)，2017，47（11）：52-55.

2017-01-09

張立平（1986—），男，碩士，工程師，主要從事焊接數(shù)值模擬的研究。E-mail：15094347413@163.com。