【正文】 或多個(gè)物理場(chǎng)相互作用的問(wèn)題為耦合場(chǎng)分析。ANSYS提供了兩種分析耦合場(chǎng)的方法：直接耦合與間接耦合、(1)直接耦合直接耦合的耦合單元應(yīng)該具有和溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)對(duì)應(yīng)的所用自由度，應(yīng)用耦合單元只要通過(guò)一次計(jì)算就可得到所要的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析結(jié)果。這種方法實(shí)際上是通過(guò)計(jì)算包含所有必須項(xiàng)的單元矩陣或單元載荷向量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 不同類型的熱耦合單元Table Different types of thermal coupling unit單元類型單元名稱熱應(yīng)力耦合單元contact4contact49熱應(yīng)力電耦合單元plane1solidsolid9targe16arge170、conta17conta17conta17conta174(2)間接耦合間接耦合，先進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，然后把溫度場(chǎng)結(jié)果施加到結(jié)構(gòu)場(chǎng)，進(jìn)行兩個(gè)場(chǎng)耦合。如用間接法計(jì)算熱應(yīng)力問(wèn)題，先采用具有熱單元自由度不具有結(jié)構(gòu)自由度的熱單元進(jìn)行熱分析，然后熱單元轉(zhuǎn)換成相應(yīng)具有結(jié)構(gòu)自由度不具有熱自由度的結(jié)構(gòu)單元，并把求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加到模型上再進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，因此在整個(gè)分析過(guò)程中錯(cuò)在熱單元和結(jié)構(gòu)單元的轉(zhuǎn)換問(wèn)題。 熱單元與結(jié)構(gòu)單元的轉(zhuǎn)換表Table Thermal units and structural units of the conversion table熱單元結(jié)構(gòu)單元Link32Link1Plane35Plane2Sure151Sure153Shell57Shell63Mass71Mass21Solid5S0lid45Solid70Solid45 模型網(wǎng)格的劃分單元的形狀沒(méi)有限制，生成不規(guī)則單元的方式即自由劃分。網(wǎng)格的劃分具有規(guī)則形狀，且對(duì)載荷的施加和收斂性的控制具有明顯優(yōu)勢(shì)的即映射劃分，因此，實(shí)際應(yīng)用中一般優(yōu)先選擇映射網(wǎng)格劃分，當(dāng)不能應(yīng)用映射劃分的時(shí)候我們?cè)诳紤]自由劃分。網(wǎng)格的劃分合適與否直接影響了計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率。網(wǎng)格劃分的越密，計(jì)算精度越高，計(jì)算時(shí)間越長(zhǎng)，反之計(jì)算精度變低，計(jì)算時(shí)間越短。在數(shù)值模擬中，常常把影響較大的部分細(xì)化，影響較小的部分簡(jiǎn)化。在焊接過(guò)程中，焊縫及周圍溫度變化較大，生成的熱應(yīng)力也較大，變形比較明顯，因此在焊縫及其附近加密網(wǎng)格。在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，溫度變化相對(duì)比較小，生成的熱應(yīng)力也較小，變形也較小，可以忽略細(xì)節(jié)變化，在保持精度情況下采用較少的網(wǎng)格劃分，進(jìn)而縮短計(jì)算時(shí)間。 熱源類型的選取焊接過(guò)程通常是材料在具有高能量密度的熱源作用下，連接區(qū)域局部熔化或呈塑性狀態(tài)，進(jìn)而冷卻形成焊縫的過(guò)程。對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行正確的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬是成功進(jìn)行焊接應(yīng)力場(chǎng)模擬的重要前提，而建立合理的熱源模型是數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確的可靠保障。確定數(shù)值模擬中的熱源模型，即確定合理的焊接熱流分布函數(shù)，使模擬的溫度場(chǎng)符合實(shí)際焊接的情況；熱源模型的建立準(zhǔn)則是熔池邊界準(zhǔn)則，即與實(shí)際焊接相比輸入形同熱量情況下，如果使用所選熱源模型所模擬得到的熔池區(qū)域邊界與實(shí)際焊縫融合線相符，那么就認(rèn)為此熱源模型是合理的[52]；對(duì)于現(xiàn)有熱源模型的選擇使用及發(fā)展均以此為準(zhǔn)則作為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)這一準(zhǔn)則也為判斷所選模型是否合理提供了依據(jù)；事實(shí)上，我們總是依據(jù)不同焊縫的熱源特點(diǎn)和表現(xiàn)出的不同形貌特征來(lái)選擇熱源模型，以使得模擬得到的熔池邊界區(qū)域與實(shí)際焊縫熔合線相符，這樣得到的焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的結(jié)果是能夠滿足焊接力學(xué)分析的要求的。點(diǎn)、面和體熱源，是熱源施加的三種形式。熱流率主要應(yīng)用點(diǎn)熱源，應(yīng)用于線單元中，熱流流入節(jié)點(diǎn)為熱源輸入（正），但是點(diǎn)熱源會(huì)使溫度場(chǎng)的溫度分布出現(xiàn)局部的溫度帝都過(guò)大，所以我們主要選用面和體熱源的形式。高斯分布熱源、半球狀熱源、橢球型熱源和雙橢球熱源模型做簡(jiǎn)單介紹。(1)高斯分布的熱源Oyqqmx通過(guò)一定的作用面積，電弧將熱源傳遞給焊接構(gòu)件，這個(gè)作用面積就是加熱斑點(diǎn)，熱量在加熱斑點(diǎn)上的分布是不均勻的，由中心像邊緣減少，可以用高斯函數(shù)模型來(lái)近似的描述加熱斑點(diǎn)上的熱流密度 [5354]。 高斯函數(shù)分布的熱源模型 Gaussian distribution of the heat source model距加熱中心任一點(diǎn)的熱流密度： ()式中：為加熱斑點(diǎn)中心最大熱流密度；r為任一點(diǎn)離電弧加熱斑點(diǎn)中心的距離；r為任一點(diǎn)離電弧加熱斑點(diǎn)中心的距離。對(duì)于移動(dòng)熱源 ()此熱源模型普遍使用在焊接溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算中。熔池小沖擊和電弧挺度較小時(shí)應(yīng)用此模型得到的結(jié)果吻合良好。(2)半球狀熱源模型和橢球型熱源模型對(duì)于要考慮電弧穿透作用的電子束焊和激光焊等高能束焊接，選用半球狀熱源模型十分合適[55]，半球狀熱源分布函數(shù)： ()熔池在激光焊等情況下不是球時(shí)對(duì)稱的，是該模型存在的缺點(diǎn)，而橢球型熱源模型的提出改進(jìn)了這種模型。橢球型熱源分布函數(shù)可表示為： ()式中：a、b、c為半軸長(zhǎng)。(3)雙橢球型熱源模型 用橢球型熱源分布函數(shù)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，橢球前半部分溫度梯度不像實(shí)際中那么陡變，而橢球的后半部分溫度梯度分布較緩慢。雙橢球型熱源模型的提出克服了這個(gè)不足，這種模型將前半部被當(dāng)做一個(gè)橢球的四分之一，剩下的部分被當(dāng)做橢球的額外一個(gè)四分之一。設(shè)為橢球的前面一半能量值， 為剩下橢球能量值，且+ =2,熱源分布為在前者橢球?yàn)閇55]: ()在后半部分橢球內(nèi)熱源分布為: ()上面式子中相互獨(dú)立的a、b、c可取不同的數(shù)值。在焊接不同材質(zhì)時(shí)，可將雙橢球分成四個(gè)八分之一的橢球瓣，每個(gè)可對(duì)應(yīng)不同的a、b、c值。(4)生熱率對(duì)于填角焊縫或者坡口焊縫，高斯熱源就難于滿足要求，通常采用生熱率的方式施加熱源載荷，將有效的熱源輸入能量轉(zhuǎn)化為焊縫單元在單位體積內(nèi)的熱生成強(qiáng)度，即； ()式中：q是生熱率；η是焊接有效系數(shù)；U是焊接電壓；I是焊接電流；V是單位焊接體積。在填角焊縫或坡口的焊縫中，隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，焊縫的逐漸生成，焊接材料不斷填充到焊縫中，因此某些焊縫單元在焊接開(kāi)始的時(shí)候尚不存在，而是隨著焊接材料的填充才不斷產(chǎn)生的，即假定熱量是均勻的在焊縫單元上施加，熱量被當(dāng)做內(nèi)部熱源處理，焊料隨著焊接的進(jìn)行逐步的填充到焊縫上去，還沒(méi)有被填充的單元被設(shè)定為“死單元”，直到填充焊縫轉(zhuǎn)化為“活”單元，要真實(shí)的實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程就要用到ANSYS中的生死單元技術(shù)。 生死單元技術(shù)焊接過(guò)程中,焊縫材料在焊接開(kāi)始時(shí)并不存在, 焊接材料是逐漸依次填充在焊縫中,ANSYS中的“單元生死”技術(shù)可以很好的模擬這一過(guò)程。單元的生或死是指如果在模型中加入或刪除材料,模型中相應(yīng)的單元就“出生”或“死亡”。在ANSYS中，要達(dá)到單元“死”的效果，就是將單元的剛度矩陣乘以一個(gè)足夠小的因子[ESTIF]，“死單元”的單元載荷將為0，從而不對(duì)載荷向量生效(但仍然在單元載荷的列表中出現(xiàn))，同樣，被“殺死”的 單元的質(zhì)量，阻尼，比熱和其他類似效果也為0值，被“殺死”的單元的能量和質(zhì)量不會(huì)再次出現(xiàn)在模型求解結(jié)果中，單元的應(yīng)變?cè)凇皻⑺馈钡耐瑫r(shí)也將設(shè)為0，與“殺死”單元類似，單元的“出生”，也不是將其加到模型中，而是重新激活它們，但必須在PREP7中生成所有單元，包括后面要被激活的單元。因?yàn)樵谇蠼馄髦胁荒苌尚碌膯卧?，要“出生”一個(gè)單元，先“殺死”它，然后在合適的載荷步中重新將它激活[56]。此外，焊接過(guò)程是非線性瞬態(tài)分析，殺死或重新激活單元可能引起奇異性(如結(jié)構(gòu)分析中的尖角)或剛度突變，甚至?xí)?dǎo)致很難收斂，所以必須要在各個(gè)荷載步中控制生死單元的數(shù)量，同時(shí)迭代過(guò)程的剛度縮減會(huì)導(dǎo)致不連續(xù)發(fā)生，在有單元生死的分析中打開(kāi)FULL牛頓一拉普森方法的自適應(yīng)下降選項(xiàng)將得到好的結(jié)果[56]。 熱源移動(dòng)的循環(huán)加載(1)分段熱源施加利用ANSYS編寫APDL子程序，通過(guò)循環(huán)語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)熱源載荷的施加，即：沿焊縫長(zhǎng)度L方向把焊縫分成N段，將各段的后點(diǎn)作為施加熱源的中心點(diǎn)，熱源載荷開(kāi)始施加，在進(jìn)行下一次計(jì)算時(shí)，將上一步施加的熱源載荷刪除，而且上一次加載計(jì)算的溫度作為下一段加載計(jì)算的初始條件；分段移動(dòng)熱源可大幅度提高焊接結(jié)構(gòu)的計(jì)算效率，與傳統(tǒng)的高斯熱源相比，當(dāng)焊縫區(qū)域網(wǎng)格細(xì)化時(shí)，焊接應(yīng)力和變形都吻合良好，當(dāng)焊縫區(qū)域網(wǎng)格粗化時(shí)，焊接仍能很好吻合，但是焊縫附近的殘余應(yīng)力相差很多[57]。(2) ANSYS的函數(shù)功能利用ANSYS中的函數(shù)功能function編寫熱載荷施加函數(shù)，以熱源中心為中心施加熱源載荷，隨著對(duì)時(shí)間的變化的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)熱源的移動(dòng)。 溫度場(chǎng)的求解設(shè)置(1)定義分析類型及分析選項(xiàng) 焊接溫度場(chǎng)分析為典型的非線性瞬態(tài)分析，即ANTYPE, 4。同時(shí)激活非線性瞬態(tài)時(shí)間積分效應(yīng)，采用Full NewtonRaphson（牛頓拉普森）方法，每進(jìn)行一次平衡迭代，就修正一次剛度矩陣，同時(shí)激活自適應(yīng)下降功能，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)及時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)，激活優(yōu)化的非線性求解、自動(dòng)線性搜索，比單獨(dú)運(yùn)用自適應(yīng)下降或線性搜索程序的警告信息會(huì)大大減少，加強(qiáng)有限元計(jì)算的收斂性和計(jì)算效率，同時(shí)將瞬態(tài)積分參數(shù)THETA設(shè)置為1，加速相變問(wèn)題的求解。(2)初始條件建立 設(shè)置參考溫度TREF，一般為室內(nèi)溫度，參考溫度用于熱應(yīng)變的參考溫度，默認(rèn)值為0。設(shè)置初始溫度，當(dāng)周圍溫度未知或不均勻時(shí)，我們要用一小段時(shí)間（）對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)運(yùn)算，計(jì)算初始溫度場(chǎng)，保證初始升溫速度為0，然后在把施加的溫度刪除。在空氣中焊接時(shí)，可以直接把所有節(jié)點(diǎn)初始溫度設(shè)置為室溫。(3)載荷步設(shè)置 時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置對(duì)計(jì)算精度有很大的影響，步長(zhǎng)越小，計(jì)算精度越準(zhǔn)確，但過(guò)小的時(shí)間步長(zhǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)的容量要求很高，計(jì)算的時(shí)間也過(guò)長(zhǎng)。，在冷卻過(guò)程中，在逐步的加大時(shí)間步長(zhǎng)。可按照如下公式估算初始時(shí)間步長(zhǎng)： ()其中為沿?zé)崃髅芏确较驘崽荻攘孔畲筇幍膯卧拈L(zhǎng)度，為熱擴(kuò)散率，它等于導(dǎo)熱系數(shù)除以密度和比熱容的乘積，通過(guò)命令NSUBST或者DELTIM實(shí)現(xiàn)。如果載荷在某個(gè)載荷步上是恒定的，需要設(shè)為階躍；如果載荷隨時(shí)間線性變化，則設(shè)定為漸變選型，可通過(guò)命令KBC實(shí)現(xiàn)。ANSYS中提供了五種求解器，一般采用程序自動(dòng)選擇求解器的方法就可得到較滿意的計(jì)算結(jié)果，同時(shí)ANSYS中默認(rèn)的迭代次數(shù)，對(duì)大部分非線性熱分析也以足夠。 后處理后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。ANSYS中后處理包括通用后處理POST1和時(shí)間歷程后吃力POST26。(1)通用后處理POST1可以查看整個(gè)模型在某一載荷步或子步的計(jì)算值，還可以通過(guò)路徑輸出結(jié)果，即按某一規(guī)律變化定義一系列點(diǎn)，或者選中所要選取的點(diǎn)，那么沿所選路徑點(diǎn)的結(jié)果就會(huì)通過(guò)曲線或云圖顯示，對(duì)于任一條曲線上的計(jì)算結(jié)果非常方便，同時(shí)還可剖開(kāi)物體查看物體內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果。(2)時(shí)間歷程后處理POST26可以查看模型中指定點(diǎn)的分析結(jié)果隨時(shí)間、頻率等的變化關(guān)系。它可以完成從簡(jiǎn)單的圖像顯示和列表、微分和相應(yīng)頻譜的生成等操作。例如，在非線性分析中，以圖形顯示載荷和位移的關(guān)系。 焊接應(yīng)力場(chǎng)的模擬分析 前處理在確保焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算準(zhǔn)確的前提下，就可以開(kāi)始焊接應(yīng)力場(chǎng)的模擬計(jì)算。(1)進(jìn)入前處理PREP7，把熱單元通過(guò)ETCHG命令轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元；(2)定義材料的隨溫度變化的力學(xué)屬性，彈性模量E、泊松比、屈服強(qiáng)度和線膨脹系數(shù)等；(3)因焊接變形為大應(yīng)變問(wèn)題，故指定塑性分析為雙線性等向強(qiáng)化（BISO），使用等向強(qiáng)化中的Von Mises屈服準(zhǔn)則。 定義邊界條件求解計(jì)算(1)定義邊界條件邊界條件的定義主要是約束焊焊件的自由度，要根據(jù)具體情況而定。加載位移邊界條件既要防止在有限元計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生剛體位移又不能嚴(yán)重阻止焊接過(guò)程中的應(yīng)力釋放和自由變形（無(wú)外約束情況下）。定義參考溫度，如焊接前沒(méi)有預(yù)熱，則為室溫，反之為預(yù)熱溫度。 (2)求解計(jì)算焊接屬于大應(yīng)變問(wèn)題，打開(kāi)大變形和大應(yīng)變選項(xiàng)，采用Full NewtonRaphson（牛頓拉普森）方法，每進(jìn)行一次平衡迭代，就修正一次剛度矩陣，同時(shí)激活自適應(yīng)下降功能，打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間不長(zhǎng)及時(shí)間步長(zhǎng)預(yù)測(cè)加快計(jì)算和收斂。需要注意的是，結(jié)構(gòu)場(chǎng)計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)一定要與溫度場(chǎng)計(jì)算的時(shí)間不長(zhǎng)相一致。施加載荷時(shí)，讀入熱分析的節(jié)點(diǎn)溫度并制定相應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)或載荷步。設(shè)置的參考溫度值應(yīng)與熱分析中設(shè)置的初始溫度值一樣。隨著熔池里面金屬的熔化，金屬材料所擁有的各種物理力學(xué)性能就開(kāi)始逐漸的消失，最后幾乎為零。要很好的模擬這一個(gè)過(guò)程，我們就要應(yīng)用到ANSYS中提供的單元生死的技術(shù)，即在把溫度場(chǎng)計(jì)算的溫度載荷轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)載荷施加在結(jié)構(gòu)上時(shí)，要對(duì)施加的溫度載荷進(jìn)行判斷和分析，把超過(guò)鋼材規(guī)定的熔點(diǎn)的溫度載荷去掉，只是施加低于鋼材熔點(diǎn)的溫度載荷，在本次載荷施加結(jié)束后在把之前超過(guò)鋼材熔點(diǎn)去掉的單元在重新的加入到模型中，在一次的計(jì)算時(shí)候，ANSYS在重新的選擇一遍，進(jìn)行計(jì)算，這樣就可以達(dá)到模擬金屬熔敷的過(guò)程。在對(duì)溫度載荷的選擇上，我們要十分的小心，如果控制的不好，去掉了不應(yīng)該去掉的溫度載荷，這樣會(huì)對(duì)我們的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。 后處理與溫度場(chǎng)中所述的后處理一樣，通過(guò)兩種后處理器來(lái)查看某一時(shí)間點(diǎn)焊件上個(gè)單元節(jié)點(diǎn)在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的各種力學(xué)變化，也可以查看固定的一個(gè)節(jié)點(diǎn)單元在不同時(shí)間下的各種力學(xué)變化，還可以通過(guò)編寫命令程序直接的查看構(gòu)件的整個(gè)計(jì)算過(guò)程中的連續(xù)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。 試驗(yàn)驗(yàn)證 雙軸對(duì)稱焊接工字梁殘余應(yīng)力試驗(yàn)驗(yàn)證(