[發明專利]焊接數值模擬中動態生死單元的有限元建模方法

有效

• 申請號: 201710223624.3
• 申請日: 2017-04-07
• 公開（公告）號: CN107016192B
• 公開（公告）日: 2019-10-01
• 發明（設計）人: 尹立孟;劉成;王剛;姚宗湘;夏文堂;尹建國
• 申請（專利權）人: 重慶科技學院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 重慶蘊博君晟知識產權代理事務所(普通合伙) 50223
• 代理人: 王玉芝;楊明

本發明提供了一種焊接數值模擬中動態生死單元的有限元建模方法，包括第一步：建立焊接結構的三維實體模型，并根據焊接材料將三維實體模型分為母材區和至少一個焊縫區；第二步：對三維實體模型進行幾何清理，并將母材區和焊縫區創建為新的層或集合；第三步：將母材區劃分成體網格，并保存到母材區所在的層或集合中；以及，在焊縫區建立面網格，并保存到焊縫區所在層或集合中；第四步：定義焊縫單元，生成焊接有限元分析模型；第五步：定義材料屬性、單元的物理屬性、分析步數；第六步：定義焊縫區金屬的“生死單元”，完成建模。利用本發明可以準確模擬焊縫金屬隨焊接過程動態填充，新舊換熱面動態變換的過程，提高焊接數值計算的精度。

技術領域

本發明涉及焊接數值模擬有限元分析技術領域，更為具體地，涉及一種焊接數值模擬中動態生死單元的有限元建模方法。

背景技術

“生死單元”是現代焊接數值仿真領域常用的模擬方法，其作用是在焊接有限元計算過程中焊縫單元隨焊接過程動態的填充焊縫，與實際的焊接過程相符以獲得與實際焊接過程相吻合的溫度場，提高數值仿真的精度。Python為大型通用ABAQUS軟件的二次開發語言，可以對ABAQUS進行建模、計算一體化，尤其在焊接領域中要使用Python二次開發進行焊接過程“生死單元”的定義；同時Tcl是高級網格前處理HyperMesh軟件的二次開發語言，可進行復雜模型網格前處理，可以實現不同行業用戶的特殊需求而進行二次開發。

如何實現焊接“生死單元”的自動化建模與定義相關的邊界條件，在保證溫度場計算精度的同時能簡化程序，是焊接數值模擬能在工程上進行應用的前提。基于大型通用軟件ABAQUS的傳統“生死單元”技術是在ABAQUS里采用Python進行編程、建模、仿真與計算，由于ABAQUS自帶的建模與網格劃分靈活性不強，復雜網格處理較為困難，使得編寫的程序十分復雜，尤其在多層多道焊接中實用性更加不強，而工程焊接過程大多采用多層多道焊，這就限制了焊接數值模擬的應用范圍。另一方面，從外部導入ABAQUS的復雜的焊接網格模型由于沒有實體模型，傳熱邊界條件無法準確的定義到每一個相關的單元面上，一般的處理方法是采用等效的簡化，如采用一個總的傳熱系數代替熱對流與熱輻射，這所帶來的影響就是由于邊界條件沒有準確定義使得數值模擬結果精度不高。

發明內容

鑒于上述問題，本發明的目的是提供一種焊接數值模擬中動態生死單元的有限元建模方法，以解決現有焊接有限元分析中編程復雜，溫度場計算結果精度不高的問題。

本發明提供的焊接數值模擬中動態生死單元的有限元建模方法，包括：

步驟1：建立焊接結構的三維實體模型，并根據焊接材料將三維實體模型分為母材區和至少一個焊縫區；

步驟2：對三維實體模型進行幾何清理，并將母材區和焊縫區創建為新的層或集合；

步驟3：將母材區劃分成體網格，并保存到母材區所在的層或集合中；以及，在焊縫區建立面網格，并保存到焊縫區所在層或集合中；

步驟4：將焊縫區的面網格拉伸生成體網格，當每次填充焊縫金屬單元時新建一個新的層或集合，提取當前焊接位置所有單元的外表面作為換熱面并生成一個集合或層的描述，循環操作，直到全部焊縫區完成新的層或集合的建立及單元面的提取，生成焊接有限元分析模型；

步驟5：定義焊接材料的材料屬性并賦予給輸入焊接有限元分析模型的單元，以及，定義單元類型為八節點六面體；

步驟6：建立第一分析步驟；其中，第一分析步驟的分析時間為1*10^6秒，不激活每個焊縫區的焊縫金屬單元；

步驟7：將第一次提取的單元的換熱面所在的集合或層的描述賦予對流換熱系數與輻射換熱系數；