摘要：焊接仿真软件近年来在制造业中的应用越来越普遍，不同焊接仿真软件的计算模型，材料库与热源模型等各有不同，因此在针对某型零件的焊接过程进行仿真前需要选择合适的焊接仿真软件，这样可大大提高仿真效率与准确性。本文针对两款主流焊接仿真软件SYSWELD及WELDPLANNER特点进行分析介绍，帮助工程人员合理选择适合的软件。
关键词：焊接；仿真；SYSWELD；WELDPLANNER
近年来，焊接工艺越来越多地应用于制造领域，焊接变形直接影响着零部件的制造精度，因此通过仿真优化焊接工艺来控制焊接变形具有重要意义。以两款焊接软件SYSWELD及WELDPLANNER为例，针对两种软件的特点、应用范围及实例应用进行简要介绍。
1仿真技术概述
随着社会经济技术的快速发展，很多新兴技术应运而生。仿真技术是一项综合性极强的计算机技术，其中包含各种各样的计算机技术。丰富的计算机技术应用于仿真技术中，达到呈现虚拟效果的目的。正因此，仿真技术的快速发展必然会带动计算机技术的快速发展，进而推动社会技术的快速发展。机械设计制造行业是我国一个传统的行业，机械设计制造的水平亦能代表我国工业化的程度。传统行业更需要新型技术的带动，仿真技术的发展无疑会推动机械设计制造的发展。因此，在社会经济快速发展的情况下，分析当前情况下仿真技术在机械设计制造中应用情况，探究仿真技术的发展趋势，对机械制造业以及工业化的发展有着重要的意义。仿真技术的工具主要有仿真硬件和仿真软件。仿真硬件绝大部分是计算机，其中有数字计算机、模拟计算机、目标仿真器、运动仿真器等。后2项都属于物理仿真器范畴。仿真软件包括数据库、仿真程序、仿真语言等，是构成仿真软件系统的重要部分。仿真技术进行应用需要多种方式方法，主要为连续系统仿真以及离散系统仿真。仿真技术可在能源、动力、化工等相关领域进行应用，仿真技术在机械设计制造中的应用只是一个方面。在机械设计制造中融入仿真技术，可大幅度降低人工劳动强度、操作更加安全、计算结果更加准确、软硬件的研发费用也可大大降低，研发投入时间上亦减少，有利于机械设计制造效率的提高。仿真技术的加入使得机械设计制造的经济效益更可观。机械设计制造涉及电子工程技术、机械自动化等方面的内容，同时也包括多种学科理论，如控制工程学科、工程力学学科、工程材料理论等。机械设计制造行业是我国传统行业。在自动化、新兴技术不发达时，机械制造的包括范围比较传统，主要是对设备及其零件的加工制造过程，根据客户或者消费者所需参数建立合适的模型，再加上工程力学、控制工程、材料力学等理论，反复测试、试验机械设计模型是否达到所需要求。而随着科学技术的发展，高科技的技术如仿真技术不断加入，自动化将会成为机械设计制造的趋势。
2SYSWELD软件的特点与应用范围
SYSWELD是一款覆盖了相关复杂数学和材料物理特性，考虑多物理场的焊接软件。软件中包含了非常全面的材料数据库，包括钢、铝合金、高温合金、钛合金等。同时软件中还具有多种不同形式的热源包括：高斯热源、3D高斯热源、双椭球热源、圆锥体热源等等，因此可以用来仿真不同的焊接工艺包括：TIG焊，激光焊，电子束焊、MIG焊、MAG焊等等。同时SYSWELD求解器采用了最先进的弹塑性模型，使得计算结果更为准确。但其相对计算时间较长，效率较低。仿真可得到热属性与力学属性的结果参数，主要包括：a.零件焊接后的温度场分布，通过提取了焊缝上节点的热循环曲线及应力曲线可研究焊缝金属的塑性变形形态；b.零件焊接后的应力场分布及焊接变形，可通过优化工艺参数达到降低残余应力，减小变形量的目的。
3SYSWELD软件在焊接中的实例应用
本节以航空零件的典型结构-T型接头为研究对象，应用SYSWELD对其激光焊接过程进行仿真，研究单条焊缝不同的焊接顺序对残余应力及焊接变形的影响。
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3.1几何模型
TC4钛合金T型接头的几何信息如下，腹板尺寸：180*50*2mm，翼板尺寸：180*25*2mm，焊缝形状为三角形。模型网格采用八节点六面体单元。
3.2焊接方案
针对T型接头单条焊缝的焊接顺序，提出四种不同的焊接方法，其中菱形代表起焊点，箭头代表焊接路径，数字代表焊接顺序，如图1所示。
3.3热源
热源模型的选择取决于熔池形态、传热区域、焊接模拟过程等。本文针对激光焊接工艺选用3D高斯热源模型。
3.4夹持与冷却条件
夹持条件（1）：约束腹板下表面外侧的四点，分别固定其YZ方向以及Y方向的平动自由度。夹持条件（2）：对腹板上表面以及翼板两侧平面进行弹性约束。焊接过程采用条件（1）与条件（2）相结合的夹持方式；冷却过程采用条件（1）的夹持方式。冷却过程设置环境温度为20摄氏度，冷却方式采用空气冷却，热交换面为模型的外表面单元，冷却时间为0-1800s。
3.5仿真结果与分析
仿真计算耗时为117分钟。在方案四中，T型接头的焊接变形量最小，为0.282mm，相较于方案一中0.366mm的变形量同比下降22.95%。如表1所示。
4WELDPLANNER软件的特点与应用范围
WELD-PLANNER是一款焊接装配的快速计算工具，该软件的求解算法采用固有应变法。其操作简单，工程师可方便地定义焊接顺序，布置装卡条件，设置焊接参数与材料属性等。此软件计算效率高，计算速度快，适用于大尺寸，多焊缝，焊接工艺复杂的焊接仿真研究。
5WELDPLANNER
软件在焊接中的实例应用以带筋壁板为研究对象，应用WELDPLANNER对其加强筋的焊接过程进行仿真，研究多条焊缝的不同焊接顺序对焊接变形的影响。5.1几何模型。蒙皮尺寸为：1090*820*2mm，四根加强筋的高度均为26mm，厚度为2mm。其中1,2号加强筋两侧各有四条焊缝；3,4号加强筋两侧各有两条焊缝，共12条焊缝。5.2焊接方式。采用激光焊接，选用6mm的熔宽。5.3夹持条件。5.3.1蒙皮的夹持方式：在仿真的过程中，选取蒙皮边缘的四条边进行固定约束，即约束四条边的三个平动自由度。5.3.2加强筋的夹持方式：在每条加强筋上选取其两端作为约束部位，每部分选取有一定距离的两个点，固定其法向的平动自由度。5.4焊接顺序方案及成形结果。本文针对焊接顺序对焊接变形量的影响提出四种焊接顺序的方案：（1）1-2-3-4；（2）2-1-3-4；（3）3-4-1-2；（4）3-4-2-1。表2中列出了在六种不同焊接顺序下壁板的变形量。仿真计算耗时11分钟。
6结语
在焊接之前通过仿真软件对相应工艺流程仿真并进行工艺优化已经成为了一种可以有效降低成本，减少重复试验次数的手段。不同仿真软件的特点与应用对象均不相同，因此针对不同焊接工艺及不同焊接对象时选择合适的软件进行仿真才能确保计算效率的高效与结果的准确。
参考文献
[1]苏雷.SYSWELD在航空发动机焊接模拟中的应用[A].中国航空学会航空维修工程专业委员会.航空安全与装备维修技术——航空安全与装备维修技术学术研讨会论文集[C].中国航空学会航空维修工程专业委员会,2014:5.
[2]ESI发布2009版焊接模拟方案[J].国防制造技术,2009(6):72.
论文作者:任伟岗
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年10期
论文发表时间:2019/9/5
标签：仿真技术论文; 软件论文; 热源论文; 模型论文; 顺序论文; 机械设计制造论文; 条件论文; 《工程管理前沿》2019年10期论文;