01

概 述

(资料图)

预测焊接和增材制造（AM）中的残余应力和变形对于确保制造部件的质量非常重要。但是，使用热-机械耦合分析模拟大型焊接组件或多层AM零件非常耗时。采用固有应变法进行焊接或增材制造模拟时，可以对焊接、增材制造等工艺变形、应力进行快速结构响应。在该方法中，使用固有应变作为结构边界条件，模拟了塑性应变、热应变、蠕变应变和相变应变的组合效应。在焊接过程中受到高温的组件部分称为热影响区。根据应用需求，有两种方式可以定义热影响区方法如下：

a)直接定义-热影响区由用户选择定义，选择对应单元分配固有应变；

b)焊接运动学-在这种方法中，热影响区位于移动焊接池尺寸内的积分点被指定为固有应变。

02

案例分析过程

有限元模型如图1所示。该模型由圆形管道（底板）组成，法兰（am_flange）通过金属沉积形成。本分析的目的是使用固有应变边界条件模拟金属沉积过程。该模拟的结果给出模型中变形和残余应力的合理估计。本案例只介绍其直接定义法来完成，关于焊接运动学的定义参照案例“Marc2022.3 用户手册 e125案例”。

图1 模型组成

2.1

固有应变定义

为每个待沉积焊接层设置固有应变边界条件。输入3个方向固有应变分量，其不同方向的固有应变数值可以通过试件的标定获取，其固有应变方向和单元材料坐标系一致。选择第一层单元如图2所示。然后依次单元第二、三、四层单元如图3所示。

图2 固有应变定义

图3 定义固有应变的4层单元

同时做如下操作:

a）在Marc界面“分析任务”菜单下“停用”选项中停用所有定义的各层固有应变单元

b) 为每一层创建一个分析工况。

c) 在每种载荷情况下，指定固有应变边界条件，激活一层单元。

d) 在“分析任务”菜单中按顺序选择所有依次定义的”分析工况”，并要求提供应力和应变结果。

2.2

单元类型及材料定义

底板和法兰模型网格均采用7号实体单元。

整个模型所用材料为316L不锈钢。材料数据在.umt文件中提供，提供了材料数据适用于293.15至1673.15°K的温度范围的力学参数、包括随温度变化的模量、泊松比、热膨胀系数及流变曲线等，定义方式见下图4。

初始常温参数为：

杨氏模量1.92372×105 MPa

泊松比0.3

热膨胀系数1.4560×10-5/°C

图4 底板、法兰模型的材料定义

2.3

接触定义

该模型由变形体和一个刚体组成，如图1所示。

a)底板-圆形钢管；

b)法兰-通过多层沉积材料建造；

c)刚体-在一端固定基板平面。

在该模拟中，底板粘接到刚体平面上，法兰逐渐粘在底板上。与接触相关的参数均设置为默认。所定义接触关系均在接触表中，接触表在“分析工况”中和“分析任务”菜单中初始接触中选择。同样的接触表也适用于所有载荷工况。

2.4

结果显示

图5 模型等效应变云图

图6 模型的等效应力云图

03

参 照

敬请参照 “Marc2022.3用户手册 e125 案例，案例中含所需要的数据文件。

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