【TechNow】ABAQUS焊接分析- Part 1:手动定义

Lestat 整理，江丙云 校对，黄琳琳 排版

焊接是一种通过熔合材料连接材料的工艺：在工件金属熔化时，通常添加焊料来形成熔池。采用焊接仿真评估焊缝的结构性能，建模中主要存在以下两大挑战：

1.热和结构属性相互耦合；

2.焊接过程中添加焊料，从而改变边界及其位置。

热和结构的耦合，最为简单的方法是执行热应力顺序耦合分析。在这种情况下，先进行热分析，然后将热分析中计算出的温度直接在结构分析中使用。用这种方法，结构性能不影响热结果。

在本文中，将给大家展示手动设置Abaqus简单焊接示例，展示如何将热分析的结果应用于结构分析（热应力顺序耦合分析）以及如何在模型中使用生死单元。 我们首先关注热分析。

模型几何

假设模型对称，取一半分析。模型结构如图1所示，定义与温度相关的热属性和以及结构材料属性。

图1、几何图形

热分析步骤

分析步1：去除焊料；分析步2：将热边界条件施加在工件与焊料接触的区域，模拟焊接过程；分析步3：在该温度保持一定的时间；分析步4：然后添加焊料；分析步5：冷却结构。

激活/抑制单位

在模型最初的情况下焊料需要被去除，然后在分析过程中使用Model change命令添加焊料。

焊接过程中焊料熔化，在仿真的过程中可以理解为焊料从无到有。此过程时间非常短，仅为1E-7s。这样，有无焊料都假定温度场这个短时间内不会发生明显改变。

在Create Interaction中找到Model Change（图2）。

图2：Model change窗口

在分析步1去除焊料（Deactivated）。（图3）

图3：在分析步1去除焊料

在分析步4，修改Interaction，重新激活单元，以添加焊料。

添加初始温度

使用预定义场定义几何初始温度。工件温度为室温。焊料温度为高温（1500℃）。

添加边界条件

在分析步3中，在工件和焊料之间的边缘处施加一个渐增的温度边界条件，在分析步3中进行，在分析步4中移除。

图4：添加温度边界条件

添加薄膜条件

在结构的外表面不同区域手动选择施加薄膜条件。

图5：Interaction薄膜条件

输出结果选项

默认输出即可。并提交作业。

结构分析

然后我们可以关注第二个分析，即结构分析。可以使用上一分析的网格模型，更改单元类型和边界条件即可。

结构分析的步骤

如果在分析开始时去除焊料并在需要时添加，则周围材料可能同时发生移位。为了避免这种情况，最初的时候不去除焊料。相反，在处于高温状态。材料刚度将很低，并且不会显著影响其余的分析。因此结构分析按表1所示，创建四个分析步。

表1：热分析与结构分析的分析步

添加热分析的温度结果

在热分析中计算的温度被用于结构分析充当预定义场。“Edit Predefined Field”对话框（图6）用于指定应该使用哪些温度结果。

图6：Edit Predefined Field窗口

选择‘From results or output database file’。“File name”选择热分析结果的.ODB文件。您可以选择开始和结束读取结果的分析步，选择0作为增量结束读取结果。由于相同的网格，网格兼容性设置为“Compatible”。

当添加正确的边界条件，则可提交作业。

结果

对比相邻的动画结果，很显然，热分析的温度适用于结构分析。

在结构分析中，最开始焊料是存在应变，但去除焊料后也如预期（图7）。

图7：去除焊料前和替换焊料后的应变

结构分析中最大增量步的PEEQ（左）和Mises应力（右）

图8：结构分析中最大增量步的PEEQ（左）和Mises应力（右）

结论

上文已经展示了一个非常简单的焊接模拟例子。类似的方法可以用于更复杂的焊接仿真，包括具有多个不同焊料。这需要在热和结构模型中建立多个分析步、相互作用和预定义场。

现已经开发了Abaqus Welding Interface插件，用以快速建立更复杂的焊接模型，将在下一文章介绍。