研究生課程考核十字接頭雙側填絲焊接

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1、 2014年 春 季學期研究生課程考核 （研究報告） 考核科目 : 焊接過程建模基礎 學生所在院（系） : 材料科學與工程 學生所在學科 : 材料加工工程 學 生 姓 名 ****** 學 號 ****** 學 生 類 別 學術型 考核結果 閱卷人 一、實驗目的 1. 了解焊接熱過程數值模擬的基本思路； 2. 熟悉Marc軟件的界面和基本操作； 3. 利用Marc能夠獨立完成焊接

2、熱過程的數值模擬。 二、實驗內容 十字接頭雙側填絲焊接（板厚10mm,其它自定） 1. 建立模型 首先定義焊接平板尺寸為：120mm50mm6mm。搭接長度為40mm，計算出各個點坐標。（建立模型過程中采用國際單位制m） （1）生成點 PTS: ADD 0 0 0 0.08 0 0 0.1 0 0 0.12 0 0 DUPLICATE TRANSLATIONS 0 0.006 0 POINTS ALL: EXIST PTS: ADD 0.074 0.006 0 0.126 0.006 0 0.2 0.006 0 DUPLICATE

3、TRANSLATIONS 0 0.006 0 POINTS 選擇需要復制的四個點 （右鍵確定） （2）連線，生成二維模型如下圖（1）所示： （3）二維網格劃分 運用AUTOMESH CURVE DIVISIONS FIX # DIVISIONS: #DIVISIONS4 APLLY CURVE DIVISIONS 選擇圖形中兩個小三角形的邊界，右鍵確定 運用SUBDIVIDE DIVISIONS x y z BIAS FACTORS x y z CURVES 對其余的邊線進行網格劃分。 為了使網格劃分更加規(guī)則，復制兩上下邊上的節(jié)點到板的中心，得到

4、下圖： 下面進行網格劃分。網格劃分結果如圖3所示。 AUTOMESH 2D PLANAR MESHING QUAD MESH! 二維面網格劃分完成后，得到下圖： 下面需要擴展為三維體網格 EXPAND TRANSLATIONS 0 0 0.002 REPETITION 25 ELEMENT ALL:EXIST RETURN SWEEP: ALL RETURN RENUMBER: ALL 得到的三維實體網格如下圖所示

5、： SELECT ELEMETS：SETTING STORE SET1 選擇焊道單元，確定 ELEMETS：SETTING STORE SET2 選擇焊道單元，確定 2. 施加材料性能 MATERIAL PROPERTIES ISOTROPIC YOUNGER’S MODULUS 2.1E11 POISSON’S RATIO 0.33 MASS DENSITY 7800 PLASTICITY:ELASTIC-PLASTIC INITIAL YIELD 2.5E8 RETURN THERMAL EXP. 1.2E-5 RETURN RET

6、URN 如圖所示： HEAT TRANSFER CONDUCTIVITY 40 RETURN SPECIFIC HEAT 500 RETURN MASS DENSITY 7800 RETURN 如圖所示： ADD ALL: EXIST RETURN RETURN 以上認為母材和焊道單元的材料性能是一樣的。 3. 建立焊接路徑 MODELING TOOLS WELD PATHS NEW（weldpath1） PATH INPUT METHOD NODES:ADD 在模型上，利用節(jié)點法

7、，選擇起弧點和節(jié)弧點。 ORIENTATION INPUT METHOD NODES ADD 并選擇三角形直角頂點上的點。 兩條焊縫都要定義。 NEW（weldpath2） PATH INPUT METHOD NODES:ADD 在模型上，利用節(jié)點法，選擇起弧點和節(jié)弧點。 ORIENTATION INPUT METHOD NODES ADD 并選擇三角形直角頂點上的點。 4. 建立焊道 WELD FILLERS NEW ELEMENTS ADD SET SET1 NEW ELEMENTS ADD

8、SET SET2 5. 施加邊界條件 1焊接溫度場的邊界條件 BOUNDARY CONDITIONS NEW THERMAL MORE VOLUME WELD FLUX FLUX POWER 2600 EFFICIENCY 0.7 WIDTH 0.006 DEPTH 0.005 FORWARD LENGTH 0.003 REAR LENGTH 0.015 VELOCITY 0.002 WELD PATH Weldpath1 ELEMENT Add ALL:SET SET1 OK (apply1)

9、NEW THERMAL MORE VOLUME WELD FLUX FLUX POWER 2600 EFFICIENCY 0.7 WIDTH 0.006 DEPTH 0.005 FORWARD LENGTH 0.003 REAR LENGTH 0.015 VELOCITY 0.002 WELD PATH Weldpath1 ELEMENT Add ALL:SET SET1 OK (apply2) NEW RETURN FACE FILM FILM COEFFICIENT 40 SINK TE

10、MPERATURE 20 RETURN FACES ADD 框選法確定所有外表面。 2 焊接應力場的邊界條件 NEW MECHANICAL FIX DISPLACEMENT DISPLACEMENT X NODES ADD 選擇上搭接板上的節(jié)點，確定 （apply4) NEW MECHANICAL FIX DISPLACEMENT DISPLACEMENT Y NODES ADD 選擇下搭接板上表面的節(jié)點，確定 （apply5） NEW MECHANICAL FIX DISPLA

11、CEMENT DISPLACEMENT Z NODES ADD 選擇下搭接板下表面的節(jié)點，確定 （apply6） 6. 設置工況 1 定義焊接過程 LOADCASES NEW（loadcase1） COUPLED QUASI-STATIC LOADS：點掉apply2 CONVERGENCE TESTING DISPLACEMENTS RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE 0.1 MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE 30

12、 RETURN TOTAL LOADCASE TIME 25 CONSTANT TIME STEP PARAMETERS #STEPS 25 OK OK NEW（loadcase2） COUPLED QUASI-STATIC LOADS：點掉apply1 CONVERGENCE TESTING DISPLACEMENTS RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE 0.1 MAX ER

13、ROR IN TEMPERATURE ESTIMATE 30 RETURN TOTAL LOADCASE TIME 25 CONSTANT TIME STEP PARAMETERS #STEPS 25 OK OK 2 定義冷卻過程 NEW QUASI-STATIC LOADS:取消apply1 apply2 CONVERGENCE TESTING DISPLACEMENTS RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE 0.1

14、 MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE 30 OK TOTAL LOADCASE TIME 5000 ADAPTIVE: TEMPERATURE PARAMETERS MAX #INCREMENTS 500 INITIAL TIME STEP 1 OK OK 7. 定義作業(yè) JOBS COUPLES AVAILABLE Lcase1 Lcase2 Lcase3 ANALYSIS

15、 OPTIONS PLASTICITY PROCEDURE: SMALL STRAIN LUMPEDMASS & CAPACITY OK JOB RESULTS STRESS Equivalent Von Mises Stress OK RUN SUBMIT(1) Monitor 8. 結果分析 溫度場分析 1焊接過程總共50S，取12S,30S,37S時的情況分析。模型焊接溫度場的三維分布圖形如圖所示： 12S云紋圖 30S云紋圖 2 12S時，焊縫直線上的溫度分布如下

16、： 分析： 熔池位置的橫向應力很小，這是由于此時材料軟化造成。 電弧的前端位置為壓縮應力，這是由于該處材料受熱膨脹，而受周圍材料壓縮導致。 2觀察33方向的應力，在本模型中為焊接縱向應力，如下圖所示為焊接12s時的縱向應力。 三、思考題 1. 建模過程中經常會遇到什么問題，如何解決？ 答：問題1：對于雙道焊縫，如何使兩條焊縫同時焊接與順序焊接？ 解決：如果是兩條焊縫順序焊接，則需定義兩個loadcase1和loadcase2。如果是兩條焊縫同時焊接，則只需定義一個loadcase1。即可達到目標。 問題2：建模過程中，線劃分不符合原來設計要求，即不是從遠離焊縫處到焊縫

17、近處漸變的；網格劃分時提示找不到閉合的單元。 解決：劃線時注意連接點的順序，偏置系數小于1時，連線的方向就是劃分時從密到疏的方向。網格劃分找不到閉合單元因為線與線的交點不明確，框選的單元不是完整單元，還有可能是顯示器的問題，把圖放大后再框選就沒有這個問題了。 2.如何進行熱源校核，其目的是什么？ 答：熱源校核就是熱模擬，流程包括建模，輸入材料性能，確定焊接路徑，焊道，施加邊界條件，設置工況，定義作業(yè)。熱過程的數值模擬可以優(yōu)化結構設計和工藝設計，減少試驗工作量，提高焊接接頭質量。 3. 焊接參數如何定義，常會遇到什么問題？ 答：焊接參數根據選擇的焊接方法和工件厚度定義。選擇TIG焊的方法，焊接效率是0.7，開始選擇的熱源輸入為200x20=4000，觀察模擬結果，工件上最高溫度達到2500℃，所以就降低熱輸入到2400，觀察熔池形狀和尺寸，太小，最后調整到2600，此外，還可以通過調整焊接速度調整熱輸入。 4.如何利用模擬得到的結果，提出任一時刻任一位置的溫度場數據？ 答：打開模擬結果，SKIP TO INC，輸入任一時刻，即可得到提出此刻時的溫度場數據。想觀察任意位置的溫度，選擇此位置一側的單元，MAKE INVISIBLE，然后調整視圖即可看到溫度截面。 16