sysweld热源的二次开发

第三章 热源二次开发及有限元分析结果

3.1 有限元软件SYSWELD简介

SYSWELD是SYSWORLD系列软件（SYSMAGNA、SYSPLY、SYSNUKE、SYSWELD）当中的一个分支，简称为焊接分析系统。20世纪80年代，为了揭示核工业领域中焊接工艺中复杂的物理现象，提前预测和防止焊接裂纹等重大焊接缺陷的产生，法国砝码通公司联合ESI公司共同研发了焊接专业有限元软件SYSWELD。

经过30多年的发展，SYSWELD已经成为焊接、热处理、焊接装配工艺模拟的先导。它具有强大的焊接仿真功能，几乎可以模拟任何焊接过程中可能出现的问题，为焊接工程师提供新的途径来研究焊接过程，使他们可以预测焊接过程中所发生的一切，从而帮助工程师找到具有最佳变形、残余应力及塑性变形的最优工艺参数。SYSWELD是一款焊接专用有限元软件，专门设有针对焊接工艺的界面和模型，比较方便定义焊接路径和热源模型，给焊接研究者带来了很大的方便。目前，已普遍应用于汽车工业、航空航天、国防和重型工业等领域。 3.1.1 SYSWELD的技术特点

SYSWELD软件主要包含了热冶金分析、力学分析以及氢扩散，完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算，允许考虑晶相转变及同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响。如图3.1所示。在具体的计算中分两步进行:(1)实现温度和晶相组织的计算;(2)进行机械力的计算。在计算机械力时，已经充分考虑了第一步温度场和晶相组织计算的结果。

电磁分析 耗散能 热力学 温度 金相 化学成分 变形能 析出 应力

扩散—析出 温度

相变 机械分析 潜热 相变 温度 温度

图3.1 SYSWELD 软件各部分关系

Fig. 3.1 Relationship of every parts of SYSWELD software

SYSWELD软件有以下模块： (1) 数据导入

SYSWELD的操作环境中可以直接建立几何模型并划分网格，同时其也能读取其他软件（如catia、pro/e等）标准交换文件格式（STL, IGES, VDA,STEP, ACIS等）的几何模型，并与大部分CAE软件的数据模型相兼容（如Hypermesh、Ansys等）。

(2) 工艺向导

SYSWELD主要有Heat treatment Advisor、Welding Advisor 、Assembly Advisor 、WELD Adivisor这四个向导，即热处理向导、焊接向导、装配模拟向导、焊接模拟向导。

(3) 模拟工具

SYSWELD内置了的工具软件能够准确的模拟所需要的物理数据，如热CCT曲线校验、热源校核、热传导系数校验等。

(4) 模型设置

SYSWELD的高效友好界面能够帮助用户全身心的处理问题，其能将复杂的问题简单化并能帮助工业用户解决超过95%的问题，满足高级用户的各种独特需求。

(5) 材料数据

经过长期的开发和实验，SYSWELD软件拥有很丰富的材料库，能够帮助用户准确的进行工程分析。

(6) 后处理

SYSWELD拥有强大的后处理功能，其能提供的结果有：温度场云图显示、应力 X-Y曲线、加热与冷却速率等高线或等高面显示、变形与翘曲符号显示、晶相组织的矢量显示等。

3.1.2 SYSWELD软件的应用

(1) 评估残余变形

装配结构需要顺序连续焊接或点焊连接，焊接顺序的不同会很大程度上影响焊接变形的大小，因此可以通过SYSWELD软件对多种焊接顺序方案进行数值模拟，根据结果选用最优的方案，从而提高了焊接质量。

(2) 将残余应力降至最小

焊接残余应力对结构的危害很大，可以通过SYSWELD对结构的焊接残余应力进行数值仿真，对产生大应力大的焊接工艺进行优化。

(3) 研究几何，材料和过程参数的敏感性

SYSWELD可以减少设计阶段昂贵的设计差错，开发循环每前进一步，修改的成本都在逐渐增加。

3.1.3 SYSWELD热源的二次开发

影响焊接残余应力产生的主要因素是材料的影响、热源的影响以及焊接参数的影响。其中焊接时的热输入是产生焊接残余应力的决定性因素。焊接热源的种类、热能量密度分布、热源移动的速度、被焊构件的形状与厚度都直接影响着热源引起的温度场分布，因而也影响着焊接残余应力的分布规律，因此只有找到与实际焊接过程相符合的热源模型参数，才能准确的获得焊接残余应力。图3.2为SYSWELD 软件进行焊接残余应力计算的主要步骤，从图中也可以看出热源在焊接数值模拟过程中的重要性。SYSWELD内置了三种常用热源模型：适用于表面热处理的高斯热源、适用于高能焊接（如电子束焊和激光焊）的3D高斯热源以及

适用于电弧焊的双椭球热源。这三种模型基本涵盖了各种板厚的热源模型，但是略微复杂的焊缝形状，利用软件自带的热源模型进行校核会带来耗费时间以及模拟不准确等结果。

焊接接头建模 热源校核 修正热源参数 热源实验结果 实验结果对比 一致？ YES NO 进行温度场和残余应力的计算 图3.2 SYSWELD计算残余应力的主要步骤

Fig. 3.2 Main steps of calculating residual stress with SYSWELD

作为一款商用软件，SYSWELD为了满足客户需求，专门为设计人员提供了热源二次开发的功能，它能帮助设计人员开发出合适的热源模型，对热源进行开发主要有以下两种方式：

(1) 热源的函数文件是用简体Fortran编写的，其格式为*.fct，可以通过记事本打开*.fct文件自行编写和修改程序来得到所需要的热源模型。

(2) 也可以通过焊接导向修改热源程序（如图3.3），其原理与在记事本中编写程序相同。首先通过Functions DB选项，调出热源函数，然后利用Fortran语言进行编写，最后程序进行保存。

图3.3 在Functions DB 修改热源 Fig 3.3. To modify heat source in Functions DB

3.2 焊缝有限元模型的建立及材料简介 3.2.1 热源校核焊缝有限元模型建立

随着我国高速铁路的快速发展，对高速列车的制造加工质量也提出了更高的要求。国内多种型号动车组，虽然外形不尽相同，但车体的生产过程基本类似，除头车车体包含流线形司机室以外，中间车车体主要由底架、左侧墙、右侧墙、车顶及端墙五大部件组焊而成。CRH380B高速动车组侧墙模型如图3.4所示，车体侧墙为a4对接焊缝，对接接头的结构示意图如图3.5所示。

图3.4 车体侧墙模型 Fig 3.4 The bodywork sidewall model

图3.5 侧墙对接接头结构示意图 Fig. 3.5 Sidewall butt joint structure diagram

焊接过程仿真计算结果不但与材料、热源、焊接工艺以及热边界条件有关，而且与有限元网格的疏密程度也有密切的联系。有限元网格划分的越精细，计算结果也将趋于准确，但网格的数量过多会导致迭代次数过多，计算量以及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。所以本章在对热源的研究中，由于焊接过程中，焊缝及其附近区域的温度场、应力场变化非常剧烈。在保证计算精度的基础之上，为了减少计算时间，对焊缝附近处的网格进行加密处理，而远离焊缝区域的网格划分的较为粗大，模型尺寸取150mm×300mm×4mm，有限元单元以8节点6面体单元为主，6节点5面体单元为辅，单元数为14400，节点数为18615，有限元模型如图3.6所示。

图3.6 模拟所用的焊接接头有限元模型

Fig 3.6 Welded joints finite element model used in the simulation

3.2.2 铝合金6005A材料简介

随着我国高速铁路的快速发展，高速列车运行速度不断的提高，为了保证高速列车的行车安全，对高速列车的制造加工质量提出了更高的要求。对高速列车车体实现轻量化是提高列车运行速度的一个措施之一。列车轻量化可以减小牵引动力、减小惯性、能耗，同时还有利于提高制动系统的安全性。欧洲和日本等国家多年在高速列车领域的研究表明，铝合金型材是车体轻量化设计最佳的材料。铝合金材料韧性高、密度小、具有较高的强度级别以及抗腐蚀性，其制造的车体质量要比钢材料的轻30%左右，将大型薄壁挤压型材作为高速动车组车体材料的优点主要有一下几个方面：

(1) 制造方便，采用铝合金型材，很大程度上简化了制造工艺，与钢材料相比工作量明细减少。

(2) 降低成本，铝合金材料具有耐腐蚀性高、强度高等特点所以车体维护费用低。

(3) 降低车辆自重，既能满足车体强度以及刚度的相关标准，也能降低车体本身的重量，节约了能耗，提高了旅行的速度，也增加了旅客乘坐的舒适性。

铝合金是以铝为基的合金的总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。轨道交通装备所使用的铝合金主要有5000系、6000系和7000系三种。其中5000系主要是AlMg合金，其具有良好的焊接性能；6000系为AlMgSi合金，其优点为不仅焊接性能好，焊接质量也很高；7000系为AlZn合金，其性能较差，接头强度也较低。CRH380B高速动车组车体侧墙采用的材料为6000系牌号为6005A的AlMgSi合金，由于侧墙焊缝较长，通常为机器人自动焊接。

铝合金的焊接方法有很多，在高速列车制造过程中最常用的方法有TIG焊

（钨极氩弧焊）和MIG（熔化极惰性气体保护焊）。本文所研究的CRH380B动车组车体侧墙采用MIG焊接方法。表3.1为6005A铝合金型材的化学成分,其热处理状态为T6态。

表3.1 6005A-T6铝合金材料成分（%） Table 3.1 Composition of 6005A-T6 aluminum alloy (%)

Si 0.56 Mn 0.22 Cr 0.11 Cu 0.014 Zn 0.012 Fe 0.12 Mg 0.64 Ti 0.013 Al 余量

3.3 单一热源计算结果

焊接热源可以根据不同的作用方式可分为平面分布热源、体积热源和集中热源。集中热源适用于所关心的焊件部位离焊缝中心线较远时；对于电弧焊，其热流是分布在焊件上一定的作用面积内，因此可以将其作为平面分布热源；而对于高能束焊接，焊接时会产生较大的焊缝深宽比，热源热流对工件厚度方向影响很大，必须采用某种体积分布热源。由于高速列车采用铝合金材料，其熔点低，热传导系数大，在工艺参数确定的情况下，利用SYSWELD自带的三种热源模式很难模拟出焊缝的实际形状，同时也需要耗费大量的时间。

图3.7 焊缝的断面形貌 Fig. 3.7 The sectional shape of the weld

首先在实际的焊接工艺条件下（焊接电流I=210A,电压 U=22V,焊接速度v=10mm/s,热输入效率??0.7[47~48]），分别采用各单一热源进行校核，从宏观的角度出发，考察热源断面形貌与实验结果的偏离程度，然后在进一步寻找改善热源的方法，并对其进行二次开发。在该焊接工艺条件下，焊缝的实际断面形貌如图3.7所示，其上表面融宽为8.6mm，下表面熔宽为4.6mm。

（钨极氩弧焊）和MIG（熔化极惰性气体保护焊）。本文所研究的CRH380B动车组车体侧墙采用MIG焊接方法。表3.1为6005A铝合金型材的化学成分,其热处理状态为T6态。

表3.1 6005A-T6铝合金材料成分（%） Table 3.1 Composition of 6005A-T6 aluminum alloy (%)

Si 0.56 Mn 0.22 Cr 0.11 Cu 0.014 Zn 0.012 Fe 0.12 Mg 0.64 Ti 0.013 Al 余量

3.3 单一热源计算结果

焊接热源可以根据不同的作用方式可分为平面分布热源、体积热源和集中热源。集中热源适用于所关心的焊件部位离焊缝中心线较远时；对于电弧焊，其热流是分布在焊件上一定的作用面积内，因此可以将其作为平面分布热源；而对于高能束焊接，焊接时会产生较大的焊缝深宽比，热源热流对工件厚度方向影响很大，必须采用某种体积分布热源。由于高速列车采用铝合金材料，其熔点低，热传导系数大，在工艺参数确定的情况下，利用SYSWELD自带的三种热源模式很难模拟出焊缝的实际形状，同时也需要耗费大量的时间。

图3.7 焊缝的断面形貌 Fig. 3.7 The sectional shape of the weld

首先在实际的焊接工艺条件下（焊接电流I=210A,电压 U=22V,焊接速度v=10mm/s,热输入效率??0.7[47~48]），分别采用各单一热源进行校核，从宏观的角度出发，考察热源断面形貌与实验结果的偏离程度，然后在进一步寻找改善热源的方法，并对其进行二次开发。在该焊接工艺条件下，焊缝的实际断面形貌如图3.7所示，其上表面融宽为8.6mm，下表面熔宽为4.6mm。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ubxh.html