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2017-04-21 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
ANSYS的生死單元模擬焊接過程
1 概述
焊接模擬計算在CAE仿真是比較大的一塊內容,也是比較復雜的一個過程,幾個比較關鍵的問題是熱源函數的描述、單元的融覆、熱源的移動等等,通過單純的GUI操作,無論使ANSYS還是Abaqus都不大可能完成這個過程,通常需要借助軟件的內置語言。
本次主要介紹單元生死的應用,單元生死主要用于單元缺失的場合,比如凝固溶解過程,斷裂過程,焊接過程等等,這些過程都是非線性或者時間歷程過程,計算需要很多子步和迭代,為了在此過程中避免一遍一遍修改單元,便引入生死單元的概念,通俗的講就是通過一些方法讓單元失效,具體的改變是單元的彈性模量的改變,當單元死時,修改其彈性模量為非常小的值,讓其在求解過程中不起作用。
詳細地說,激活單元死這個狀態時,ANSYS程序將單元剛度矩陣乘以很小的因子,程序默認值為1E-6,死單元的單元載荷為0,從而不對載荷向量生效,同樣的,死單元的質量、阻尼、比熱等等參數也設置為0,單元的應力應變也因此為0。
2 前處理
前處理包括單元定義、材料定義和建模,單元定義是需要注意單元屬性,此次定義13號二維耦合單元,具有溫度和位移自由度。
材料屬性包括結構參數和熱參數,具體包含彈性模量,泊松比,屈服強度,塑性屬性,材料密度,熱膨脹系數,熱傳導系數,比熱容。焊接時溫度較高,定義材料通常需要定義多個溫度下的值。例如定義各材料在各溫度點下的屈服應力和屈服后的彈性模量:
tb,bkin,1,5
tbtemp,20,1
tbdata,1,1200e6,0.193e11
tbtemp,500,2
tbdata,1, 933e6,0.150e11
tbtemp,1000,3
tbdata,1, 435e6,0.070e11
tbtemp,1500,4
tbdata,1, 70e6,0.010e11
tbtemp,2000,5
tbdata,1, 7e6,0.001e11
建立的二維模型如圖1所示,中間三角區域為焊接區域。
劃分網格后如圖2所示:
3 單元排序
焊接區域的單元排序是一個必要的過程,只有將單元按照坐標順序排列好,激活才好控制。
由于焊接時單元是從底部一層一層鋪,因此需要將三角區域的單元按照Y坐標排序。單元的坐標是其形心處的坐標,如果一層的單元Y坐標一致,則將這一層再按照X坐標排序。
排序用ANSYS的APDL實現,通過Do循環一遍一遍的遍歷單元。
其主要流程如圖3所示:
在進行這個過程之前,需要先選出焊接區域的所有單元,之后:
*get,nse,elem,,count !焊接區域單元數目nse
*dim,ne,,nse !定義數組,存儲單元編號
*dim,nex,,nse !定義數組,存儲坐標x
*dim,ney,,nse !定義數組,存儲坐標y
*dim,neorder,,nse !定義數組,存儲按照坐標排序的單元標號
mine=0
!**************************************************************
*do,i1,1,nse
esel,u,elem,,mine !提出排序了的單元
*get,nse1,elem,,count !得到剩下的單元數目nse1
ii=0
*do,i,1,emax
*if,esel(i),eq,1,then !表示單元是否被選中
ii=ii+1
ne(ii)=i
*endif
*enddo !此段循環用于得到剩下的單元的編號
*do,i,1,nse1
*get,ney(i),elem,ne(i),cent,y
*get,nex(i),elem,ne(i),cent,x
*enddo !此段循環得到剩下單元的坐標
miny=1e20
minx=1e20 !定義輔助常數,用于比較
*do,i,1,nse1
*if,ney(i),lt,miny,then
miny=ney(i)
minx=nex(i)
mine=ne(i)
*else
*if,ney(i),eq,miny,then
*if,nex(i),lt,minx,then
miny=ney(i)
minx=nex(i)
mine=ne(i)
*endif
*endif
*endif
*enddo !此段循環用于將剩下的單元經過坐標比較,找到Y最小(X最小的單元編號)
neorder(i1)=mine !得到這個編號的單元并存儲
*enddo
注意循環的時候會有圖4的這個警告,這個沒有關系,因為第一步剔除單元操作時實際并沒有剔除成功,因為第一步循環時mine=0。
4 加載求解
溫度載荷,結構約束,無需多說。
焊接一個單元的時間假設為5s,起始時間為0,通過得到的單元數可以知道整個歷程的時間。
求解之前先將所有焊接區域的單元殺死,通過循環遍歷實現,命令是ekill,每次殺死一個單元:
*do,i,1,nse
ekill,neorder(i)
esel,s,live
eplot
*enddo
殺死后單元如圖5所示:
求解過程的APDL為:
*do,i,1,nse
ealive,neorder(i)
esel,s,live
eplot
esel,all
!******下面的求解用于建立溫度的初始條件******
t=t+dt1
time,t
nsubst,1
*do,j,1,4
d,nelem(neorder(i),j),temp,max_tem
*enddo
solve
!****下面的求解用于保證初始的升溫速度為零****
t=t+dt1
time,t
solve
!*********下面的步驟用于求解溫度分布**********
*do,j,1,4
ddele,nelem(neorder(i),j),temp
*enddo
t=t+dt-2*dt1
time,t
nsubst,nsub1
solve
*enddo
t=t+50000
求解完之后,繼續求解冷卻過程,冷卻過程只需給一個時間就行。
5 計算結果
最后的應力分布如圖6,因為在左端施加位移約束,最后由于焊接變形,右邊發生翹曲。
圖6 Mises應力
不同時刻的應力云圖:
文中未就跟多細節一一展開,而是將主要問題和注意的地方提了出來。
注:文章來源http://www.jishulink.com/content/post/296449
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