技術性文章

如何使用 Ansys Mechanical 對焊縫進行網格劃分和模擬

這次我們將介紹如何使用不同的網格劃分策略,其中焊縫或螺栓連接位於幾何體上,您可以在某些位置創建更精細的網格,而不是整個模型,這可能需要更長的時間來求解。

在本文中,我們將討論焊縫網格劃分以及為什麼為焊縫分析提供優質網格很重要。

    摩托車車架幾何結構顯示了不同類型的焊接連接

 

  • 焊接結構中使用的元素類型

焊縫是一種使用方便的製造工藝,通過在局部區域熔化材料並熔合要連接的基體金屬,使用熱量來連接多個部件。焊接在厚鑄件(如發動機缸體)和薄壁零件(如汽車框架)中都很常見。

模擬是分析這些焊接結構的強度和耐久性的一種廣泛使用且行之有效的方法。仔細注意焊縫的網格劃分可讓您準確計算焊縫的使用壽命並表示結構剛度以進行碰撞或噪聲、振動和粗糙度 (NVH) 分析。

對於焊接結構的分析,通常混合使用實體、殼和梁單元。

雖然實體單元可用於模擬通過鑄造和鍛造工藝製造的龐大零件,但殼單元和梁單元可方便地表示由鈑金成型、軋製和拉伸操作製造的薄壁幾何形狀。通過將樑和殼單元的曲率變化與應變聯繫起來,薄截面可以方便地用尺寸較小但精度很高的模型表示。 

    焊縫模擬為殼單元(右)和焊縫模擬為梁單元(左)

 

  • 網格劃分和模擬焊縫

使用結構化與非結構化網格模擬焊縫

用於復雜薄壁幾何體的網格劃分技術取得了顯著進步,使結構化網格成為可能——即使對於復雜的幾何體也是如此。在一些應用中,變形模式和應變值的變化有一個優選的方向,使得結構化網格更受歡迎。  

結構化網格很方便,因為與非結構化網格相比,您可以使用相對較大的元素獲得準確的、與網格大小無關的解決方案。這在您評估單個焊縫的壽命時特別有用。 

       焊接幾何體上顯示的結構化(左)與非結構化(右)網格

 

為什麼模擬焊縫具有挑戰性

焊接結構分析中的一個特殊挑戰是用於分析的焊縫的創建和網格劃分。例如,典型的汽車車架結構可能包含幾千個單獨的點焊,而越野車的底盤結構可能包含幾十個縫焊。   

Ansys Mechanical 使用戶能夠以高效、自動化的方式創建和建模點焊和縫焊。用戶可以通過從電腦輔助設計 (CAD) 系統中引入焊縫位置來快速創建點焊連接。這包括控制單個焊縫剛度以準確表示的能力。方便的網格劃分工具使您能夠在焊縫根部位置和熱影響區區域創建具有適當網格模式的焊縫,這對於預測疲勞壽命至關重要。

 

  • 網片品質和焊縫壽命的重要性

焊接結構承受各種載荷條件,包括諧波或隨機變化的載荷、罐加壓和減壓、汽車底盤承受加速、制動和路面顛簸。

在評估這種疲勞載荷下的焊縫壽命時,必須考慮改變母材性能的焊接工藝。熔池的快速冷卻可以增加硬度,但延展性較低。焊接過程中的雜質也會對單個焊縫的強度產生不利影響。為了準確預測壽命,您還需要考慮上述因素以及焊接過程後母材中的任何殘餘應變。

    保持焊接連接中的熱影響區以進行疲勞計算

 

在使用疲勞工具計算焊縫壽命期間可以考慮這些因素。由於壽命預測對焊縫熱影響區的應力梯度很敏感,因此必須在該區域適當地調整網格尺寸。 

在這些類型的情況下,結構化四邊形網格是理想的選擇。它適用於捕獲焊趾處的峰值應力和該區域周圍的陡峭應力梯度。雖然規則形狀的分級網格尺寸是評估焊縫耐久性的理想選擇,但碰撞安全分析的要求是不同的。在這裡,統一尺寸的網格是計算效率的首選。

分級不好的網格尺寸可能會增加顯式求解器的求解時間。對於碰撞和 NVH 分析,焊縫剛度的準確表示是最重要的。這對於在模態和諧波分析中準確計算動態碰撞載荷或固有頻率模式下結構的能量吸收至關重要。

 

      使用六面體元素模擬縫焊,以保持焊根和焊趾位置
 

Ansys Mechanical 具有明顯的優勢,可以對焊接結構進行參數化設計。通過設計更改自動重新生成焊縫的能力極大地提高了生產率。使用最少的碰撞、耐久性和 NVH 工作流程設置生成網格的便利性,以及與Ansy nCode DesignLife 的無縫連接以計算疲勞壽命,提供了強大的用戶體驗。

 

想了解更多資訊,歡迎與我們聯繫

  • 電話:02-2500-6210
  • 郵件:info@aisol.com.tw 
回前頁