ANSYS是计算机辅助工程(CAE)领域应用最广泛的有限元分析软件,通过对该软件的系统组成、工作流程和工作原理等方面进行分析,对有限元方法FEM在焊接热效应领域的应用进行了研究。ANSYS能与其他主流CAD软件双向传递数据,具有多物理场分析能力和便捷的前后数据处理能力,通过基于ANSYS的虚拟试验平台,可以低成本、高效率优化与焊接热效应相关产品设计方案,因而在焊接研究和生产方面有着广阔的应用前景。
焊接是一个涉及许多学科的复杂的物理 — 化学过程。由于焊接过程涉及的变量数目繁多，单凭积累工艺试验数据来深入了解和控制焊接过程，既不切实际又成本昂贵和费时费力。随着计算机技术的发展，通过一组描述焊接基本物理过程的数学方程来模拟焊接过程，采用数值方法求解以获得焊接过程的定量认识，即焊接过程的计算机模拟，成为一种强有力的手段。计算机模拟方法为焊接科学技术的发展创造了有力的条件。
1993 年，美国能源部组织美国、加拿大、日本、瑞典、英国的 25 位著名专家对 21 世纪焊接科学技术的发展动向做出预测，其中焊接基本现象的模拟与仿真被列为最重要的研究方向之一 。我国国家自然科学基金委员会制定的学科发展战略也将计算机模拟确定为机械热加工领域的发展方向之一。计算机模拟是使包括焊接在内的热加工工艺研究从“定性”走向“定量”、从“经验”走向“科学”的重要标志。采用科学的模拟技术和少量的实验验证，以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模拟解决一些目前无法在实验室里进行直接研究的复杂问题。在制造业，计算机模拟与仿真可以增加材料利用率 25 ％，节约生产成本 30 ％，产品设计至实际投产的时间缩短 40 ％。焊接过程数值模拟中，热源拟合，温度场的模拟是最基本的工作，然后就是应力和变形的模拟。我们可以看到大量这方面的文章，温度场的模拟起步也较早，也积累了比较丰富的经验，在实际生产中得到了一定的应用。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。与通用软件相比，专业焊接软件使用起来更加方便，减少了通用软件很多操作时间。例如SYSWELD中有焊接热源模型，有双椭球（Goldak）热源模型（适于TIG，MIG焊接）及圆锥（Conical）热源模型（适于激光、电子束等焊接）可以供使用者选择；并且具有热源校准功能，使得热源的拟合尽可能与实际情况相吻合。焊接应力与变形问题可以分为两类，一是焊接过程中的瞬态应力应变分析，二是焊接后的残余应力与应变计算。对后者进行分析计算的较多，主要是为了减少残余应力，控制变形，防止缺陷的产生。经过几十年年的发展，应力与变形的计算日益成熟。结果精度也在不断提高。改进了计算方法的效率和稳定性，计算速度更快，收敛性更好。还有很多程序应用了并行计算功能，进一步提升了计算速度，模型也考虑得更加精细。深入研究了对焊接应力与变形的影响因素。例如材料属性随温度变化，焊接接头几何形状，焊缝道数，不同的焊接方法等等。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。
利用SYSWELD的焊接仿真，最大挠度模拟值为23.4毫米，试验值为23.8毫米
目前国际上不锈钢车辆上采用的多为奥氏体系SUS301L 类不锈钢材料。这类材料不仅具有较高的抗拉强度(～930MPa) ,还具有良好的冲压性能 ,同时还具有较好的点焊焊接性。现在 ,车辆设计者借助于电子计算机进行有限元计算方法(如ANSYS软件) ,来分析车体的受力、变形以及应力分布情况 ,充分地利用了材料的高抗拉强度 ,设计出薄壁筒型和板梁结构的车体。车体钢结构主要由侧墙、底架、车顶、外端等部件构成。
不锈钢车体结构受力部件主要使用不同强度等级 SUS301L 不锈钢 ,此外在底架等关键部位还采用了少量的高强度耐候钢、低合金结构钢和铝合金等材料。不锈钢板材的冲压性能是衡量不锈钢材料在1综述述评车体上应用的重要指标 ,不锈钢材料的热物理性能又决定了不锈钢车体的制造工艺主要采用电阻点焊方法。
针对不锈钢车体大多采用无涂装形式和点焊焊接方法的要求 ,其车体结构与碳钢车体有着较大差别。在车体结构上的主要特征为:便于点焊作业的骨架连接方法(如骨架之间采用专门设计的连接板) 。结构设计考虑了点焊的工艺性 ,尽最大可能消除角焊、对接焊等焊接变形较大的电弧焊结构;)采用冷滚压成形的波纹车顶板 ,以增加纵向刚度和垂向刚度;取消了车顶纵梁 ,同时也简化了点焊工艺;采用盲窗结构 ,提高了车体的密封性和强度;增设车下裙板 ,加大车体钢结构断面 ,提高车体的垂直抗弯刚度;)对于受力较大且点焊组装难以保证强度的部位或部件 ,采用低合金钢的角焊、对焊结构 ,如车体底架的端部处;
由于无涂装不锈钢车体表面质量要求较高 ,对热变形控制严格 ,传统碳钢车体采用火焰调平外板的方法受限 ,因此在设计上使车体的结构非常适合于装配 ,在工艺上严格控制焊接热量输入以减少焊接变形。例如 ,车体钢结构各大部件连接处均留有合适的装配间隙;通过采用最佳焊点分布和控制点焊焊核直径等措施 ,在保证连接强度的前提下 ,减少热量输入。此外 ,借助于ANSYS等计算机三维分析软件 ,对不锈钢车体结构进行强度分析和优化设计 ,最大限度地利用不同强度等级的不锈钢板材 ,改进和优化了不锈钢车体的设计结构。由于不锈钢车体的整个结构与传统的碳钢车体有较大差异,因而其焊接制造工艺与传统的车体焊接工艺有很大不同。
为预冲窗口的通长墙板 ,采用真空吊具吊运;侧墙钢结构的吊运也须采用专用吊具。不锈钢车体的外包板不涂装是车辆设计和制造的难点之一 ,侧墙的设计和制造应主要考虑如何保证侧墙的平面度和侧墙表面质量。实践证明 ,采用单面点焊工艺代替双面点焊和弧焊工艺 ,是减少因双面点焊造成的焊点凹陷和弧焊造成的焊接变形的有效途径。侧墙外表面因失误而造成损伤的修复工作 ,目前尚无可推荐的方法 ,需要通过实践,不断研究和提高。
焊接在工业中的应用是不言而喻的，但同时焊接过程中产生的残余应力往往又会导致焊接失效。因此，在工业中一般都要对残余应力进行消除，但这种消应力处理往往在实际结构或环境中难以实现，就必须进行破坏性分析。
随着我国核反应堆的建设及运行，核级设备及管道会出现较多的缺陷，有的缺陷必须进行打磨后焊接修复，同时要进行力学分析评价，此时，力学分析就必须考虑由焊接而产生的残余应力。对于焊接后结构中的残余应力大小及分布，会因结构形式、焊接方式及材料特性的不同而不同。某核电站控制棒驱动机构(CRDM )耐压壳上部Ω环连续两年都出现了泄漏，并在检修期间进行焊接修复。焊接公司委托美国公司对修复后的结构进行了力学分析和评定。焊接残余应力的有限元计算是关键技术之一，也是难点。
通过本课题的研究，掌握有限元模拟焊接过程及残余应力计算，能够提高我国焊接修复工程缺陷的分析能力，优化不符合项的处理程序，达到既节约时间和资金又满足工作性能和安全性能的目的。
有限元生死单元是指在模型加载过程中的某一指定时间，控制单元的生死选项，以实现在此指定时间内结构的“存在”或“不存在”。
单元生死选项并非真正的删除或重新加入单元，死单元在模型中依然存在，但其单元载荷、质量、阻尼、比热等为0。死单元的质量和能量将不包括在模型求解结果中。
若使单元重生，即在前处理器中激活它们，单元特性就建立了，这样就能实现焊接过程中原不生效的熔融材料变为生效的模型体的一部份。
在ANSYS 程序中，单元类型PLANE55 (热单元)和PLANE182 (结构单元)都支持单元生死功能，将分别应用于温度场计算和应力计算分析中。单元生死分别用EALIVE 和EKILL 命令执行，并打开分析选项中的完全牛顿-拉佛森(full Newton-Raphson )方法，将得到较好的非线性计算收敛结果。
利用有限元生死单元技术既可模拟焊接过程中的堆焊部分，分别加载能量进行温度场计算达到模拟焊接的整个过程。
分析时首先建立有限元模型，见图4，平面单元均为PLANE55 (热单元)，接触单元用CONTA171 (接触元)和CARGE169(目标元)，其捏合压力为1.8Pa(2.62E-4ksi)，摩擦系数为0.5。
超声波技术已经广泛应用于金属、塑料焊接工艺中。焊接工装（Horn），因其对结构动力学方面的高性能要求，传统的仿造、修模设计方法已不能适应塑料产品多变的要求。本文从超声波塑料焊接的原理入手，通过有限元法进行固有频率和模态分析，设计新型工装，满足有效传递和均匀分配振动能量的功能要求。在设计过程中结合ANSYS的参数化建模、全因子实验设计优化（DOE）和概率设计系统（PDS）模块，进行参数设计和健壮性设计，调整几何尺寸，使得工装的固有频率和超声波频率匹配，对应的模态在工作面振幅均匀，减少了局部结构应力集中的问题，同时对材料和环境的参数变化有较好的适应性。所设计的工装一次加工完成投入使用，避免了反复修整工装所带来的时间和成本上的浪费。
国内有不少超声波设备供应商自行生产焊接工装，但是他们中有相当一部分是仿制已有，然后不断的修整工装、测试，通过这种反复调整的方法达到工装与设备频率协调的目的。本文通过有限元方法，在设计工装时就能把频率确定，制造出来的工装测试结果与设计频率误差不过1％。同时，本文引入DFSS（DesignFor Six Sigma）的理念，对工装进行优化和健壮设计。6-Sigma设计的理念是在设计过程中充分收集客户心声进行针对性的设计；并且预先考虑生产过程可能出现的偏差，保证最终产品的质量分布在合理的水平内。设计流程如图二所示，从制定设计指标开始，首先根据已有经验初步设计工装的结构和外型尺寸，在ANSYS中建立参数化模型，然后通过仿真实验设计（DOE）方法确定模型中的重要参数，根据健壮要求，确定数值，接着对其他参数用子问题法进行寻优。考虑到工装在制造和使用过程中材料、环境参数的影响，还对其进行了公差设计，满足制造成本的要求。最后是制造、测试检验理论设计和实际的误差，满足设计指标即交付使用。设计焊接工装首先是确定其大致的几何外型和结构，并建立参数化模型，以便进行后继分析。图三a）是最为常见焊接工装的设计，在一个近似长方体的材料上沿振动方向豁开若干个U型槽。整体尺寸是X、Y、Z三个方向的长度，通常横向尺寸X和Y与被焊接工件的大小相当。Z的长度等于超声波的半波长，因为在经典的振动理论里面，长条型物体的一阶轴向频率是由它的长度确定的，半波长度正好与声波频率匹配，这种设计一直被延用，有利与声波的传播。U型槽的目的是减少工装横向振动的损耗，位置、大小和个数根据工装整体尺寸确定。可见在这种设计中，可以自由调控的参数较少，因此我们在此基础上做了改进。图三b）是新设计的工装，比传统设计多了一个尺寸参数：外弧半径R。另外，在工装的工作面雕刻出凹槽与塑料工件表面配合，有利于传递振动能量和保护工件表明不受到伤害。对此模型在ANSYS中进行常规的参数化建模，然后进行下一步实验设计。
