1、焊接CAE 主 讲 ：匡唐 清 华 东 交通大 学机电 工程学 院材料 工程系课程说明 课程性 质 材料成型及控制 工 程 专业 焊接方向 专业课程 课时 40学时（20课时+20机时） 考核方 式 考勤+上机考核 课程 前后关联 各焊接工艺 焊接CAE 实训 1 周 毕业设计课程内容 焊接CAE 概论 焊接CAE 前处理Visual Mesh网格划分 焊接CAE 前处理Sysweld热源校核 焊接CAE 求解Sysweld参数设置与求解 焊接CAE 后处理Visual Viewer结果显示 焊接CAEVisual Weld 焊接CAE 实例焊接CAE概论 CAE 技术 焊接CAE 技术 Sy
2、sweld软件简介CAE技术 CAE 技术的概念 CAE 技术的作用 CAE 技术的思想 CAE 技术的实现-CAE 软件CAE技术 CAE 技术的概念 广 义 ：包括 工程和 制造业 信息化 的所有 方面 狭 义 （传统 ）：主 要指用 计算机 对工程 和产品 进 行 性 能与安 全可靠 性分析 ，对其 未来的 工作状 态 和 运 行行为 进行模拟 ，及 早发现 设计缺 陷，并 预 测未来工 程、 产品 功能 和性 能的 可用 性和 可靠 性。CAE技术 CAE 技术的作用 增强设计功能 ，借助计算机分析计算，确保产品设计的 合 理 性 ，减少设计成本; 缩 短 设 计和分析的循环周期; C
3、AE分析起到的“ 虚拟样机”作用在很大程度上替代了 传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程， 虚 拟 样 机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性; 在 产 品 制造或工程施工前 预先发现潜在的问题; 采用 优 化设计 ，找出产品设计最佳方案,降低材料的消耗 或成本; 模 拟 各 种试验方案 ，减少试验时间和经费; 进行 事 故分析 ，查找事故原因。CAE技术 CAE 技术的思想 通 过 建立能 够 准确 描述研 究对象 某一过 程 的数学 模型 ，采用 合适可 行的求解 方法 ，使得 在计算 机 上 模 拟仿真 出研究 对象的 特定过 程CAE技术 CAE 技术的思想 分 析 对象
4、状 况/ 过程的 数学描 述 材料 成型 过程 控制方程 （一组微分方程） 质量方程 运动方程 能量方程 本构方程 边界条件 初值条件 以流体充填 为 例CAE技术 CAE 技术的思想 数值求解 控制方程（一组微分方程） 质量方程 运动方程 能量方程 本构方程 边界条件 初值条件 解 析 解 数 值 解 简单 复杂 计算机 以流体充填 为 例CAE技术 CAE 技术的思想 数值求解CAE技术 CAE 技术的思想 数值求解 有限差分法 差分代替微分 ， 将求解对象在时间、空间离散，对每个离散 单元进行各种物理场分析，然后将所有单元的求解结果汇总 有限元法 将求解域离散为一组有限个形状简单且仅在节
5、点处相互连接 的 单元 的集合体，在每个单元内用满足一定要求的插值函数 描述基本未知量在其中的分布 有限体积法 将计算区域划分为一系列互不重叠的 控制体，并使每个网格 点周围有一个控制体；将 待求解的微分方程对每一个控制体 积积分 ，便得出一组离散方程。 CAE技术 CAE 技术的思想 分 析 对象状 况/ 过程的虚拟呈 现 数值解（微分方程） 位移场（变形场） 速度场 应力/ 应变 场 温度场 过 程 状 况CAE技术 CAE 技术的实现-CAE 软件 CAE 软 件 的组成 前处理模块 后处理模块 求 解 器 多物理场分 析 温度场、流 场 应力/应变场 位移/变形 组织模拟等 曲线、图形
6、 、 图像、动画 等 CAD造型 网格划分 材料参数 工艺参数 结 果 分 析 优 化 策 略 原始方 案 优化方 案CAE技术 CAE 技术的实现-CAE 软件 CAE 软件的分类 通用软件 可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、 模拟和预测、评价和优化,以实现产品技术创新的软件。 Ansys （美国 ） 融 结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通 用有限元分析软件。 可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医 学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、 运动器械等。 目前ANSYS公司为全球最大的仿真软件公司。CAE技术 锥柱结合壳结构焊接残余应力数值模
7、拟 内 、 外 表 面的轴向应力分布 有限元模型 http:/ 以大型有限 元 软 件ANSYS为基础，开发相应的焊接程序， 对 锥 柱 结 合结构焊接过程中结构的残余应力进行数值模拟CAE技术 CAE 技术的实现-CAE 软件 CAE 软件的分类 通用软件 Abaqus 一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的 范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。 除了能解决大量结构（应力 / 位移）问题，还可以模拟 其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热 电耦合分析、振动与声学分析、岩土力学分析（流体渗 透 / 应力耦合分析）及压电介质分析。CAE技术 CAE 技术的实现-C
8、AE 软件 CAE 软 件 的分类 专用软件 针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预 测和优化的软件 铸造：ProCAST 锻造： Simufact forming 、DEFORM 冲压：DYNAFORM 焊接：SYSWELD 注塑：Moldflow ，Moldex 3D 挤塑：PolyflowCAE技术 CAE 技术的实现-CAE 软件 CAE 软件分析精度 的影 响 因 素 数学模型描 述 的 偏 差 材料 工艺描述的 偏 差 网格划分 单元类 型 网格密 度 求解方法焊接CAE技术 焊接 过程的特点 焊接 过程中温度应力和变形组织转变的 关系 焊接CAE技术 焊接CAE分析
9、的对象 焊接 过程数值分析的主要困难 焊接CAE方法 焊接CAE软件焊接CAE技术 焊接过程的特点 运动热源 伴随着焊缝熔敷金属的填充 焊接过程中温度变化剧烈 材料的物 性 随温度非线性变化 焊接熔池进行着 复 杂 的冶金反应，焊缝的形成是 热力 学 过 程 和力学行为等综合作用的结果焊接CAE技术 焊接 过程中温度应力和变形组织转变的 关系 热力学 温度场 力 学 应力和变形场 金 相 学 显 微 组 织状态场 应力导致相变 相变应力焊接CAE技术 目前 ，焊接在航空、航海和汽车等行业扮演 者重 要的角色，发挥着巨大的作用； 焊接 也存在着各种各样的特殊问题： 热膨胀 和收缩 、 应力和变形
10、 、 微观结构变化。由于 这些 问题的存在，限制了焊接的应用和稳定 性。 仿真已成为早期预测产品设计、加工工艺、 实际 使用中可能产生问题的主要手段。焊接CAE技术 焊接CAE 技术 焊接 数 值 模 拟技术的发展是随着焊接实践经验的 积累，有限元数值模拟技术， 计算 机 技术等的发 展而逐步开始的 。 焊接工艺的仿真 ， 主 要是 针 对 焊接 温度场 ， 残余 应力 ， 变形等几个方面。从而改善焊接部件的制 造质 量 ， 提 高产品服役性能，优化焊接顺序等工 艺过程。 传统 焊 接 质 量的好坏非常依赖于焊接工人的经验 。 焊接CAE 技术就是利用数值模拟方法找到优化 的焊接工艺参数 ，例
11、如，焊接材料，温控条件， 夹具条件，焊接 顺 序 等等 。焊接CAE技术 焊接CAE 分析的对象 焊接温度场的数值模拟 其 中 包 括 焊接传热过程，熔池形成和演变，传热，电 弧物理现象 等 等 。 焊接金属学 和 物理过程的模拟 包 括 熔 化 ，凝固，组织变化，成分变化，晶粒的长大 ，氢扩散等 等 。 焊接应力与变形 的数值模拟 包 括 焊 接 过程中应力应变的变化和残余应力应变等。焊接CAE技术 焊接CAE 分析的对象 焊接接头的力学 行 为 和性 能 的数值模拟 包 括 断 裂 、疲劳、力学不均匀性，几何不均匀性及组 织 、 结 构 、力学性能等。 焊缝质量评估的数值模拟 包 括 裂
12、缝 、气孔等各种缺陷的评估及预测。 具体焊接工艺的数值模拟 例 如 电 子 束焊接、激光焊接、离子弧焊接、电阻焊等 等。焊接CAE技术 焊接过程数值分析 的主要 困难 焊接结构三维模 型 中 自由度数目庞大 严重的材料非线 性 导致求解过程中的收敛困难 高温区的存在使得控制数值模拟的精度和稳定性 存在一定的困难 焊接过程的多场耦合焊接CAE技术 焊接CAE 方法 常用 的 焊 接 数值模拟方法有：差分法、有限元法 、蒙特卡洛法。 经过多年的发展 ， 有限元数值模拟技术 已经成为 焊接 数 值 仿 真的主流方法，因为焊接最为关心的 是变 形 和 残 余应力的控制，而有限元方法在这方 面有着明显的
13、优 势 。焊接CAE技术 焊接CAE 软件 通用结构有限元 软 件 例如MARC, ABAQUS, ANSYS 等 主 要 是 考 虑焊接的热物理过程，约束条件，进行 热 结构耦合分 析 ，得到变形和残余应力结果 。 对于焊接研 究 者 来 说 需要自己来控制和定义的内容更 多 ， 需 要 对通用软件有很深的应用功底和较强的专业 知 识 才 能 更好的把握结果的精度和意义；焊接CAE技术 焊接CAE 软件 焊接专用有限元 软 件 例如SYSWELD 专业焊接软 件 的 特 点 是 更有针对性强，有针对焊接工 艺 的 界 面 和模型，比较方便定义焊接路径，热源模型 ，另外结 果精度会更高一些，对
14、于焊接研究者来说， 比较容易学 习 和 使 用 。焊接CAE技术 焊接CAE 的应用 焊接温度场的模 拟 焊接应力与变形 的仿真 焊接工艺的优化 焊接温度场模拟结果焊接CAE技术 焊接CAE 的应用 焊接温度场的模 拟 温 度 场 的 模拟是对焊接应力、应变场及焊接过程其他 现象进行模 拟 的 基础，通过温度场的模拟我们可以判 断 固 相 和 液相的分界，能够得出焊接熔池形状。 焊 接 温 度 场准确模拟的关键 在于提供准确的材料属性 ， 热源模型 与实际热源的拟合程度，热源移动路径 的 准确定义， 边界条件是否设置恰当等。焊接CAE技术 焊接CAE 的应用 焊接温度场的模 拟 与 通 用 软
15、 件相比，专业焊接软件使用起来更加方便， 减 少 了 通 用软件很多操作时间。例如SYSWELD 中有 焊接热源模 型 ，有双椭球（Goldak ）热源模型（适于 TIG ，MIG 焊接）及圆 锥 （Conical） 热源模型（适于 激 光 、 电 子束等焊接）可以供使用者选择；并且具有 热源校准功能，使得热源的拟合尽可能与实际情况相 吻合。焊接CAE技术 焊接CAE 的应用 焊接应力与变形 的 仿 真 焊 接 应 力 与变形问题可以分为两类 一是焊 接 过程中的瞬态应力应变分析 二是焊接后的残余应力与应变计算。对后者进行分析计算的 较多，主要是为了减少残余应力，控制变形，防止缺陷的产 生。焊
16、接CAE技术 焊接CAE 的应用 焊接应力与变形 的 仿 真 经 过 几 十 年的发展，应力与变形的计算日益成熟。结 果精度也在 不 断 提 高 。 改进了计 算方法的效率和稳定性，计算速度更快 ， 收 敛 性 更好。还有很多程序应用了并行计算功 能 ， 进 一 步提升了计算速度，模型也考虑得更加 精细。 深入研究了 对焊接应力与变形的影响因素 。例如 材 料 属 性 随温度变化，焊接接头几何形状，焊缝 道 数 ， 不 同的焊接方法等等。焊接CAE技术 焊接CAE 的应用 焊接应力与变形 的 仿 真 对 于 焊 接 局部模型，存在非常强烈的非线性特征，材 料 经 过 高 温，相变，冷却后会有残
17、余应力，因此对焊 接 附 近 需 要进行详细模拟。 而 作 为 整 体结构而言，可能又体现为弹性变形，所以 线弹性分析 就 够 了 。 因此对于多道焊接的问题，采用先局部，再整体，将 局 部 模 型 的内力映射到总体模型上的方法具有很大优 势 ， 能 够 快速得到整体模型的应力和变形结果。对应 整 体 模 型 完全按照局部模型的细节进行仿真，可能计 算 量 会 大 的无法承受，事实上也没有必要。焊接CAE技术 焊接CAE 的应用 焊接工艺的优化 合 适 的 焊 接工艺将非常有助 于 减 少 焊 接结构的变形和残 余应力。 因此选择合适的焊接材料 ， 夹具条件 ， 焊接顺序 ， 冷却 速率控制等
18、，就可以优化焊 接结构 ，提高焊接质量 ， 延 长结构服役 寿 命 ， 降低成本 因 此 基 于 焊接数值仿真的焊 接 结 构 设 计将发挥重要的作 用。 利用SYSWELD的焊接仿 真 ， 最大挠度模 拟 值 为23.4毫米， 试验值为23.8毫米焊接CAE技术 焊接数值模拟技术 的未来 发展趋 势 焊接 数 值 模 拟软件朝着集成化、专业化、工程化 等方向发展。 集成化 焊接数值模 拟 将 结合焊接工艺库 ， 专家经验与知识库 ， 材料数据 库 ，功能变得越来越丰富和强大，仿真能 力 更 强 ， 使用也更加方便。更便于将焊接工艺结果反 馈 给 结 构 设计工程师，使之在设计早期即可得到结构
19、 焊 接 后 的 力学性能，便于其对设计实现更改。焊接CAE技术 焊接数值模拟技术 的未来 发展趋 势 专业化 焊 接 模 拟 软件不断细化， 将各种类型的焊接仿真技术 模块化，形 成 适于各种类型焊接工艺的模板库。例如 点 焊 工 具 ，激光焊工具，电子束焊接工具，钎焊工具 ， 搅 拌 摩 擦焊工具，等等。焊接CAE技术 焊接数值模拟技术 的未来 发展趋 势 工程化 就 是 仿 真 的结果更方便地为工程实际所应用。通过焊 接 仿 真 ， 找到优化的焊接工艺参数和焊接顺序，选择 合适的焊接 材 料 ， 融入更多焊接实际工程经验，包括 积 累 的 材 料数据库等等。焊接CAE技术 焊接数值模拟技
20、术 的未来 发展趋 势 焊接是一门传统 的 制 造工 艺 ， 但是 具体的焊接方 法却仍然在不断 发 展 更新 ，相应地，焊接数值模 拟方法也会随之 不 断 发展 完 善 。相信基于焊接数 值仿 真 的 焊 接结构设计在国内将会有更多更好的 应用。Sysweld软件简介 SYSWELD 的 开发最初源于核工业领域的焊接工艺模拟，当 时 核工业需要揭示焊接工艺中的复杂物理现象，以便提前 预测裂纹等 重 大 危 险 。在这种背景下，1980年， 法国法码 通公司 和ESI 公司共同开展了SYSWELD 的开发工作。 由于热处理 工艺中同样存在和焊接工艺相类似的多相物理 现象，所以SYSWELD 很
21、快也被应用到热处理领域中并不断 增强和完善 。 随着应用的 发 展 ，SYSWELD 逐渐扩大了其应用范围，并迅 速 被 汽 车 工业、航空航天、国防和重型工业所采用。 1997年，SYSWELD 正式加入ESI 集团，法码通成为 SYSWELD 在 法国最大的用户并继续承担软件的理论开发与 工业验证工 作 。Sysweld软件简介 焊接工业的关键 是 尽 可能 的 消除变形 ， 减少修复 量 ，研究不同工 艺 的 耐久 度 。 焊接工程师要通 过 优化工艺类型及参数 来找到变 形、残 余 应 力 和塑性变形的最佳结合点，进一步 研究它们对零件最终形状和焊后材料性能的影响。 残余塑性应 变 在
22、一定约束 条 件 下 得到小变形 量 进行工艺分 析 找出最佳 结 合 点 SYSWELD 是一个强 大工 具，它能够帮助工 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软件简介 Sysweld是 一款用来辅助专业工程人员解决 和控 制热膨胀和收缩、应力和变形、微观 结构 变化等问题的专业焊接软件。它 主要 用于 计算模拟焊接过程中产生的变形、残 余应 力、相变以及焊接组件塑性变形等 。 经过20多 年的研发，SYSWELD 已经成为 焊 接 、热处理 、 焊接装配工艺模拟的先导。 它综 合考虑了材料性能，设计因素，工艺 条件Sysweld软件简介 系统主要
23、功能模 块 和 模拟 向 导 有： Heat treatment Advisor 热处理向 导 Welding Advisor 焊接向导 Assembly Advisor 装配模拟 向 导 可模拟的主要焊接工艺有： 扩散焊、电阻焊、点焊、电弧焊、激光焊、电子束焊、 摩擦焊 可模拟的主要热处理工艺有： 淬 火 、 回 火、正火、退火、焊后热处理、感应淬火； 表 面 硬 化 、渗碳、渗氮等Sysweld软件简介 SYSWELD-W SYSWELD-HT PAM-ASSEMBLYSysweld软件简介Sysweld软件简介Sysweld软件简介 SYSWELD 帮助工程师 估测最终变形量 装 配 结
24、 构 需要按一定顺序进行连续焊或点焊，因此 焊接顺序和 焊 接 位 置 是 合理设计焊接装配工艺的关 键。 模拟能够预测并使变形最小化，从而提高产品整体 质量，大大 降 低 成 本 。 最小化残余应力 通过焊接模 拟 使应力梯度及表面张力最小化是控制 工 艺 的 一 种有效途径。在循环载荷下，随使用时间 的 增 长 会 产生裂纹，因此要提高零件质量必须避免 拉应力的侵 蚀 。Sysweld软件简介 SYSWELD 帮助工程师 研究几何敏感性 ， 材 料和 工 艺 参数 在设计阶段 ，SYSWELD能够使设计错误大大减少。在 每 个 研 发 周期，修改成本都会增加，而SYSWELD能够 在 研发
25、前期对几何结构、材料和工艺参数进行优化 ， 避 免 了 后 期昂贵的工程修改。 优化焊接工艺 SYSWELD 中可以定义焊接顺序，控制焊接工艺参数， 如 焊 接 速 度、能量输入等等。Sysweld软件简介 SYSWELD 解决工程师的难题 采用“向导”技 术 ， 自动求解器，多物理学后 处理，同时考虑 了 以 下因 素 ： 工艺参数 零件几何形 状 热 、 冶 金 、机械等材料性能 SYSWELD ， 具有完整的材料数据库，涵盖了市场 上主要的钢 和 铝 合 金 。Sysweld软件简介 SYSWELD 优势 完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合 计 算。 内置了一系列非 常 有 效的 工
26、具软件，用于获取 和校 验 热 物 理模拟的物理数据，如热传导系数 校验工具，焊接 热 源 校验 工 具 ，材 料CCT曲线 校验 工 具 ， 材料冷却曲线校验工具等等。采用 工具 软 件 ， 能准确地获取模拟所需要的物理数 据。Sysweld软件简介 SYSWELD 优势 操作环境SYSWORLD也可直接建立几何模型 和生成各种网格 。 配 合GEOMESH几何网格工 具，SYSWELD可以直接 读取UG, CATIA 的数 据和接受各种标 准 交 换文 件(STL, IGES, VDA,STEP, ACIS 等) 。 独特的工艺向导 技 术(Advisor),将复杂的物 理问 题简单化，条
27、理化，事半功倍；对于工业用户， 向导模板可以解 决 超过95%的工业问题；对于 高级用户，高级 模 块(Expert User) 可以满足各 种独特的需求， 内 置 的SIL 语言可实现无限的 用户接口和软件 客 户 化。Sysweld软件简介 SYSWELD 优势 材料数据库包含了热、与温度和相成分相关的 异常 复 杂 的 机械和冶金材料数据库。在商业版 本中 ， 世 界 著名钢铁、铝合金和灰铁厂商的材 料已经包含在内 。Sysweld软件简介 SYSWELD 优势 后处理 SYSWELD 提 供的主要结 果 温度场 加热与冷却速率 材料的晶相组织 变形与 翘 曲 应力 材料晶相变化后的屈服
28、强度 塑性变 形 SYSWELD 提 供的显示功能 云图显 示 等高线或等高面显示 矢量显 示 符号显 示 X-Y曲线 断面显 示 动画等Sysweld软件简介 机车轮缘的连续焊 温度场 材料相 变 变形 残余屈 服应力 分布 残余塑性应变 由焊接和工作 负载产生的应 力Sysweld软件简介 实际生产Sysweld软件简介 工作原 理 扩散 沉积 电磁特性 机械性能 热分析 固态相变 焦尔热 温度 温度 温度 相特性 温度 相变潜热 相特性 化学成分 化学成分 沉积 形变能 应力 沉积Sysweld软件简介 工作流程 三维建模 （UG,Pro/E,等） 网格剖分 参数设置 （热源选择等） 求
29、解 结果分析 应用 是 否 改工艺 参数Sysweld软件简介 精度影响因素 尽管有限元理论已经很成熟，但是网格不可能 无限 的 多 ， 不可能每个点都计算到，有限元算 法计算的只是有 限 个 点。 材料热物性参数 的准确性，模拟所需要的热物 性参 数 大 多 要随温度变化，我们不可能获得每 一个 温 度 点 的参数，一般取有限点来拟合出一 条曲线来代替， 这 样 会产 生 一 些误 差 。 复杂多变的焊接 环 境 和工 况 ，尽管我们的软件 已经 考 虑 了 大多数工程因素，但是不可避免还 有一些因素如人 的 因 素， 机 器 的稳 定 性 等。焊接CAE范例 T型接头焊接模拟 Panel_Bar范例
