ANSYS 部落格
June 23, 2021
如何利用 Ansys Mechanical 對焊縫進行網格劃分和模擬
在我們之前的部落格用於結構分析的 FEA 網格劃分基礎和以求解器為基礎的網格劃分中：如何維持高品質網格文章中，我們介紹了什麼是有限元素分析 (FEA) 網格劃分、網格劃分方法的類型以及為什麼高品質網格對模擬的準確度很重要。
讓我們再次使用該部落格中的摩托車車架範例。在焊接或螺栓連接位於幾何體上的地方使用不同的網格劃分策略，可以讓您在特定位置而非整個模型上建立較精細的網格，因為在整個模型上建立精細網格需要更長的求解時間。在這篇部落格文章中，我們將討論焊接網格劃分，以及在焊接分析中擁有高品質網格為何相當重要。
Motorcycle frame geometry shows different types of welded connections.
焊接結構中使用的元素類型
焊縫是一種便利的製造流程，透過在局部區域熔化材料並熔合要連接的重金屬，利用熱能來連接多個零件。焊縫在厚重的鑄造零件 (引擎體) 和薄壁零件 (如汽車框架) 中都很常見。
模擬是一種廣泛使用的成熟方法，用於分析這些焊接結構的強度和耐久性。仔細注意焊縫的嚙合可讓您準確計算焊縫的使用壽命，並可表示結構的剛度以進行碰撞或噪聲、振動和粗糙度 (NVH) 分析。
在進行焊接結構分析時，通常會混合使用實體元素、殼元素和梁元素。
雖然實體元素可以用來為鑄造和鍛造流程所製造的大型零件建立模型，但殼元素和梁元素可以便利地呈現由鈑金成型、軋製和外縮作業製造的薄壁幾何模型。透過將梁元素和殼元素的曲率變化與應變連結起來，薄的部分可以便利地用尺寸較小但準確度高的模型來呈現。
Welds simulated as shell elements (right) and welds simulated as beam elements (left).
網格劃分和模擬焊縫
使用結構化與非結構化網格來模擬焊縫
用於複雜的薄壁幾何結構的網格分割技術已有顯著進步，並使結構化網格成為可能 — 即使對於複雜的幾何結構也是如此。在多種應用中，變形模式和應變值的變化有偏好的方向，這使得結構化網格更受歡迎。
結構化網格相當便利，因為相較於非結構化網格，您可以使用相對較大的元素取得精確且與網格大小無關的解決方案。當您評估個別焊接接頭的壽命時，這一點尤其有用。
Structured (left) vs. unstructured (right) mesh shown on welded geometry.
為什麼模擬焊縫如此具挑戰性
焊接結構分析中的一項特殊挑戰，是焊縫的建立和網格劃分以進行分析。例如，典型的汽車框架結構可能包含數千個個別的點焊，而越野車底盤結構可能包含數十個焊縫縫焊。
Ansys Mechanical 能夠讓使用者以高效，自動化的方式建立點焊和縫焊並為其建模。使用者可以從計算機輔助設計 (CAD) 系統中引入焊縫的位置，快速建立焊點連結。這包括控制個別焊縫的剛度以準確呈現的能力。便利的網格劃分工具可以讓您在焊縫根部位置和受熱影響區域建立具有適當網格形式的縫焊，這對預測疲勞壽命至關重要。
網格品質和焊縫壽命的重要性
焊接結構會受到各種負載條件的影響，包括諧波或隨機變化的負載、油箱加壓和減壓、汽車底盤加速、制動煞車和路面顛簸。
在評估此類疲勞負載下的焊縫壽命時，必須考慮到會改變基材屬性的焊接過程。焊縫池的快速冷卻可以提高硬度，不過會降低延展性。焊接過程中的雜質也會對個別焊縫的強度造成損害。為了準確預測壽命，您還需要考慮以上因素以及焊接過程後基材中的任何殘留應變。
Maintain heat affected zones in weld connections for fatigue calculations.
在使用疲勞工具計算焊縫使用壽命時，可以考慮這些因素。由於使用壽命預測對焊縫受熱影響區域的應力梯度很敏感，因此在這個區域中適當調整網格大小是非常重要的。
結構化的四邊形網格是這些情況的理想選擇。它適合擷取焊趾處的峰值應力和該區域周圍陡峭的應力梯度。雖然一般形狀的分級網格尺寸是評估焊縫耐久性的理想選擇，但碰撞安全分析卻有不同的需求。在這種情況下，為了計算效率，偏好使用均勻尺寸的網格。
分級不良的網格大小可能會增加顯式求解器的求解時間。對於碰撞和 NVH 分析，焊縫剛度的準確表示是最重要的。在模態和諧波分析中，這對準確計算處於動態碰撞負載下或自然頻率模式下的結構所吸收的能量至關重要。
Seam welds simulated with hex elements to maintain weld root and toe locations.
Ansys Mechanical 具有明顯的優勢，可以對焊接結構進行參數化設計。透過設計的改變自動重新產生焊縫的能力大幅提高了生產力。以最少的碰撞、耐久性和 NVH 工作流程設定產生網格的便利性，以及與 Ansy nCode DesignLife 的無縫連接以計算疲勞壽命，共同為使用者帶來強大的使用體驗。
在我們的隨選網路研討會 Ansys Mechanical 提高 FEA 預處理生產力中獲得更多資訊。