Ansys博客
June 23, 2021
如何使用Ansys Mechanical对焊接进行网格划分和仿真
在我们之前的博客“用于结构分析的FEA网格划分基础” 和“基于求解器的网格划分：如何保持高质量的网格”中，我们介绍了有限元分析（FEA）网格划分、网格划分的方法类型以及高质量网格对于仿真精度的重要性。
我们再次使用该博客中的摩托车车架示例。在几何结构上的焊接或螺栓连接处使用不同的网格划分策略，允许您在模型的局部位置创建更精细的网格，因为如果面向整个模型创建，就需要更长的时间来求解。在本博客中，我们将讨论焊接网格划分，以及为什么高质量网格对焊接分析非常重要。
Motorcycle frame geometry shows different types of welded connections.
焊接结构中使用的单元类型
焊接是一种方便的制造工艺，通过在局部区域熔化材料并融合被连接的母材，利用热量连接多个部件。焊接在发动机缸体等厚铸件和汽车车架等薄壁部件中都很常见。
仿真是分析这些焊接结构强度和耐久性的一种广泛使用且成熟的方法。密切关注焊接的网格划分，可以准确计算焊接的使用寿命，并显示结构的刚度，以进行碰撞或噪声、振动和粗糙度（NVH）分析。
对于焊接结构的分析，通常采用实体、壳和梁单元的组合。
实体单元可用于对通过铸造和锻造工艺制造的大型部件进行建模，而壳和梁单元可以方便地表示通过金属薄板成形、轧制和拉拔操作制造的薄壁几何结构。通过将梁和壳单元的曲率变化与应变联系起来，薄截面可以方便地用较小尺寸但高度精确的模型来表示。
Welds simulated as shell elements (right) and welds simulated as beam elements (left).
焊接网格划分与仿真
使用结构化与非结构化网格仿真焊接
复杂薄壁几何结构的网格划分技术取得了显著进步，并使结构化网格成为可能，即使对于复杂几何结构也是如此。在一些应用中，变形模式和应变值的变化具有首选方向，使得结构化网格更可取。
结构化网格非常方便，因为与非结构化网格相比，您可以使用相对较大单元获得与网格尺寸无关的精确解。这在评估单个焊接的寿命时特别有用。
Structured (left) vs. unstructured (right) mesh shown on welded geometry.
为什么仿真焊接极具挑战性
在焊接结构分析中，一个特殊的挑战是为分析创建焊接并进行网格划分。例如，典型的汽车车架结构可能包含几千个单独的焊点，而越野车的底盘结构可能包含几十个焊缝。
Ansys Mechanical使用户能够以高效、自动化的方式创建焊点和焊缝并对其进行建模。用户可以从计算机辅助设计（CAD）系统中引入焊接位置，以快速创建焊点连接。这包括控制单个焊接的刚度以实现准确显示的能力。方便的网格划分工具使您能够在焊接根部位置和热影响区创建具有适当网格模式的焊缝，这对于预测疲劳寿命至关重要。
网格质量和焊接寿命的重要性
焊接结构会承受各种载荷条件，包括谐响应或随机变化的载荷、油箱加压和减压、汽车底盘承受加速、制动和路面颠簸。
在评估此类疲劳载荷下的焊接寿命时，必须考虑改变母材属性的焊接过程。熔池的快速冷却可以增加硬度，但延性较低。焊接过程中的杂质也可能对单个焊接的强度造成不利影响。为了准确预测寿命，您还需要考虑上述因素以及焊接过程后母材中的任何残余应变。
Maintain heat affected zones in weld connections for fatigue calculations.
在使用疲劳工具计算焊接寿命时，可以考虑这些因素。由于寿命预测对焊接热影响区域的应力梯度很敏感，因此在该区域确定适当的网格尺寸至关重要。
在这种情况下，结构化四边形网格是理想选择。它适用于捕捉焊趾处的峰值应力和区域周围的陡峭应力梯度。虽然形状规则的分级网格尺寸是评估焊接耐久性的理想选择，但碰撞安全分析的要求不同。在这里，为了提高计算效率，最好首选统一尺寸的网格。
分级不当的网格尺寸可能会增加显式求解器的求解时间。对于碰撞和NVH分析，准确表示焊缝刚度是最重要的。这对于在模态和谐响应分析中准确计算结构在动态碰撞载荷或固有频率模式下的能量吸收至关重要。
Seam welds simulated with hex elements to maintain weld root and toe locations.
Ansys Mechanical在焊接结构的参数化设计方面具有独特的优势。通过设计修改，自动重新生成焊接的能力大大提高了生产力。在碰撞、耐久性和NVH工作流程中以最少设置生成网格的便利性，以及与Ansys nCode DesignLife无缝连接以计算疲劳寿命，带来了强大的用户体验。
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