基于软件集成环境下的焊接模拟仿真
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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NN≥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≤Ni=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/mm2/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。 05001000150020002500300001234567890123456789热膨胀系数αl×10/(mm/mm/℃)热导率λ×10/(N/（s.℃）)比热容c×10/(mm/s/K)屈服强度R×10/MPa
弹性模量E×10/MPa温度T/℃ E R c λ αl
图6 Q345热-力参量与温度的关系
Fig. 6 Relationship between thermo-mechanical
parameters and temperature of Q345
完成上述参数的设定后，点击choose
weldcomp选择焊道组件，采用节点法定义焊接线及参考线，程序自动计算焊道的截面积，确定双椭球热源的参数，自动计算焊道长度，并根据焊接速度计算出焊接时间，从而完成焊接边界、焊接工况的设定，并输出命令。
点击job result 按钮，根据网格的数量自动对模型进行分块设定，并设定提取焊接变形、焊接残余应力等结果。
单击output inp file及output marc
command 输出MSC. Marc计算需要的网格文件及命令文件，并启动MSC. Marc自动生成计算需要的dat文件。部分的命令如下所示。
*prog_use_current_job off
*prog_analysis_class thermal/structural
*mater_read usr_Q345.mud
*add_mater_elements W1 W3 W2 C2
………
*job_param post 5
*domains_auto_decompose 6
*add_post_tensor stress
*add_post_nodal_quantity Displacement
*add_post_nodal_quantity Temperature
*add_post_var von_mises
*job_option parallel:on
*job_option ddm_generator:preprocessor
*renumber_all
3.3 计算结果分析
计算完成后，提取对接接头的总体变形情况，见图7所示。
图7 焊接变形云图
Fig. 7 Contour of welding deformation
从图中可知，对接平板横向收缩的主要原因是母材在焊接过程中首先受热膨胀，当焊缝金属凝固时，已膨胀的母材金属必然收缩，该收缩就是对接接头横向收缩的主要组成部分。沿焊缝方向发生纵向收缩，主要出现在焊缝首尾处。平板垂直焊缝方向上呈收缩状态，远离焊缝两侧的母材边缘向上翘曲，造成角变形，变形趋势与实际情况相吻合。
计算完成后，提取对接接头的焊接残余应力分布情况，见图8所示。
图8 焊接残余应力云图 (a)横向 (b)纵向 a
b Fig. 8 Contour of welding residual stress distribution
(a) transverse (b) longitudinal
从图8（a）中可以看出，随着距离焊缝中心距离减少，垂直焊缝方向上横向残余应力呈递增趋势，至热影响区应力达到最大，焊缝上应力有所回落，且焊缝两侧母材处应力呈对称分布；图8（b）为沿焊缝方向的纵向残余应力云图。焊缝及其附近区域受拉，数值一般达屈服强度，两侧受压。焊道中间拉应力最大，向两端逐渐减小。
3.4 分析时间
针对该模型，分别采用软件集成与否进行计算对比如表2所示。从表中可以看出，网格划分、模型计算工作耗时相同，软件集成后模型处理时间减少50%，大大减少了MSC. Marc进行焊接仿真分析前处理的工作量，提高了焊接模拟计算效率。
表2 软件集成前后焊接模拟仿真对比
Table 2 Comparison of welding simulation between
non-software integration and software integration
网格划分 模型处理 计算时间
集成前 600s 240s 5761s
集成后 600s 480s
5761s
4 结 论
通过采用TCL/TK语言对各软件进行集成，综合运用多种软件进行分析及前后处理，从而使几何建模，网格划分及模型设定等过程操作方便，实现资源的有效共享，极大的减少模型在MSC. Marc焊接边界条件设定的工作量，使焊接边界条件设定的时间节约1/2，有效的提高计算分析效率。多软件综合应用解决工程实际问题，整个处理过程条理清楚，相对于单一软件处理，能提高解决问题的效率和精度。
参考文献：
[1] 蒋学武, 吴新跃, 朱石坚. 综合应用 UG, Hyper Mesh和MSC Marc软件进行有限元分析[J]. 计算机辅助工程, 2007,
16(2): 11-14.
[2] 蔡志鹏, 赵海燕, 吴梗等. 串热源模型及其在焊接数值模拟中的应用[J]. 机械工程学报. 2001, 37(4): 25-28.
[3] 魏奇业, 华贲. 软件集成环境下的精馏塔动态仿真[J]. 计算机仿真, 2004,
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[4] Dean Deng, Yijun Zhou, Tao Bi,
Xiaozhan Liu. Experimental and
numerical investigations of welding
distortion induced by CO2 gas arc
welding in thin-plate bead-on joints[J].
Materials and Design, 2013(52):720-729.
