如何用Ansys机械对焊缝进行网格划分和模拟

在我们之前的博客中，结构分析的有限元网格划分基础和基于求解器的网格划分:如何保持高质量的网格，我们涵盖了什么是有限元分析(FEA)网格划分，网格划分方法的类型以及为什么高质量的网格对模拟的准确性很重要。

让我们再次使用该博客中的摩托车车架示例。使用不同的啮合的策略在几何图形上的焊接或螺栓连接位置允许您在某些位置创建更精细的网格，而不是整个模型，这可能需要更长的时间来解决。在这篇博客中，我们将讨论焊接网格划分，以及为什么有一个高质量的网格对焊接分析很重要。

焊接结构中使用的元件类型

焊接是一种方便的制造工艺，它通过在局部区域熔化材料并熔化被连接的贱金属来使用热量连接多个部件。焊接在像发动机缸体这样的厚铸件和像汽车框架这样的薄壁零件中都很常见。

模拟是一种广泛应用和完善的方法来分析这些焊接结构的强度和耐久性。仔细注意焊缝的啮合，可以准确地计算焊缝的使用寿命，并表示结构的刚度，以进行碰撞或噪音，振动和粗糙度(NVH)分析。

对于焊接结构的分析，通常使用固体，壳和梁单元的混合。

虽然实体单元可以用来模拟通过铸造和锻造工艺制造的大型部件，但外壳和梁单元可以方便地表示通过金属板成形、轧制和拉伸操作制造的薄壁几何形状。通过将梁和壳单元的曲率变化与应变联系起来，薄截面可以方便地用较小尺寸但高度精确的模型表示。

焊接网格划分和模拟

使用结构化和非结构化网格来模拟焊接

复杂的薄壁几何结构的网格划分技术已经取得了显著的进步，即使对于复杂的几何结构，也可以进行结构化网格划分。在一些应用中，变形模式和应变值的变化具有优选方向，使得结构化网格更可取。

结构化网格是方便的，因为与非结构化网格相比，您可以获得具有相对较大元素的准确，网格尺寸无关的解决方案。这在评估单个焊缝的寿命时特别有用。

为什么模拟焊缝具有挑战性

焊接结构分析中的一个特殊挑战是焊缝的创建和网格划分。例如，典型的汽车车架结构可能包含几千个单独的点焊，而越野车的底盘结构可能包含几十个缝焊。

Ansys机械使用户能够以高效、自动化的方式创建和建模点焊和焊缝。用户可以通过计算机辅助设计(CAD)系统输入焊缝位置，快速创建点焊连接。这包括控制单个焊缝的刚性以获得准确表示的能力。方便的网格划分工具使您能够在焊缝根部和热影响区域创建具有适当网格模式的焊缝，这对于预测疲劳寿命至关重要。

焊缝啮合质量和寿命的重要性

焊接结构承受各种载荷条件，包括谐波或随机变化载荷，储罐加压和减压，汽车底盘承受加速，制动和道路颠簸。

在评估这种疲劳载荷下焊缝的寿命时，必须考虑到改变基材性能的焊接过程。快速冷却熔池可以提高硬度，但塑性降低。焊接过程中的杂质也可能对单个焊缝的强度有害。为了准确地预测寿命，还需要考虑上述因素以及焊接过程后基材中的任何残余应变。

在使用疲劳工具计算焊缝寿命时，可以考虑这些因素。由于寿命预测对焊接热影响区的应力梯度很敏感，因此在该区域进行适当的网格尺寸是至关重要的。

在这种情况下，一个结构化的四边形网格是理想的。它适用于捕捉焊缝趾部的峰值应力和该区域周围陡峭的应力梯度。虽然规则形状的分级网格尺寸是评估焊缝耐久性的理想选择，但碰撞安全分析的要求不同。在这里，为了提高计算效率，首选均匀尺寸的网格。

分级不佳的网格尺寸会增加显式求解器的求解时间。对于碰撞和NVH分析，焊缝刚度的准确表示是最重要的。这对于在模态和谐波分析中准确计算结构在动态碰撞荷载或固有频率振型作用下的能量吸收至关重要。

Ansys机械在焊接结构参数化设计方面具有明显的优势。根据设计变化自动再生焊缝的能力大大提高了生产效率。生成网格的便利性与最小的崩溃设置，耐久性和NVH工作流程，以及无缝连接到ansys nCode DesignLife对于疲劳寿命的计算，使得用户体验更加强大。

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