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ANSYS 部落格

June 23, 2021

如何利用 Ansys Mechanical 對焊縫進行網格化和模擬

在先前的部落格文章用於結構分析的 FEA 網格劃分基礎一文中,我們介紹了什麼是有限元素分析 (FEA) 網格劃分、網格劃分方法的類型以及為什麼高品質網格對模擬的準確性很重要。

讓我們再次使用該部落格文章中的摩托車車架範例。使用不同的 網格化策略,焊縫或螺栓連接位於幾何體上,可讓您在某些位置,而不是整個模型上建立更精細的網格。在此文章中我們將會討論焊接網格劃分,以及為什麼擁有高品質的網格對焊接分析很重要。

摩托車車架幾何形狀顯示不同類型的焊接連接

Motorcycle frame geometry shows different types of welded connections.

 

焊接結構中使用的元素類型

焊接是一種方便的製造程序,其使用熱量透過在局部區域熔化材料並融合加入的基底金屬來連接多個零件。焊縫在發動機缸體等厚鑄件和汽車框架等薄壁零件中都很常見。

模擬是一種被廣泛使用且成熟的方法,用來進行這些焊接結構強度與耐久性的分析。仔細注意焊縫的嚙合可讓您準確計算焊縫的使用壽命,並可表示結構的剛度以進行碰撞或噪聲、振動和粗糙度 (NVH) 分析。

在進行焊接結構分析時,通常會混合使用實體、殼和樑元素。

雖然實體元素針對經過鑄造和鍛造的大型零件進行建模,但殼元素和樑元素可以方便地替代經過鈑金成型、軋製和拉拔操作製造的薄壁幾何形狀。透過將樑和殼元素的曲率變化與應變聯結起來,薄截面可方便地以更小但更確確的模型來表示。

以殼元素和樑元素模擬焊縫

Welds simulated as shell elements (right) and welds simulated as beam elements (left).

 

網格化和模擬焊縫

使用結構化與非結構化網格來模擬焊縫

用於複雜、薄壁幾何形狀的網格劃分技術已顯著進步,並成功實現結構化網格,即使對於複雜的幾何形狀也是如此。在某些應用情境中,變形模式和應變值的變化具有既定方向,其使得結構化網格更受歡迎。

結構化網格相當方便,因為與非結構化網格相比,您可獲得具有相對較大且精確的元素與網格大小獨立的解決方案。這在評估單個焊縫的壽命時特別有用。

焊接幾何圖形上顯示的結構化與非結構化網格

Structured (left) vs. unstructured (right) mesh shown on welded geometry.

 

為什麼模擬焊縫如此具挑戰性

焊接結構分析中的一個特殊挑戰,就是建立和網格化焊縫以進行分析。例如,典型的汽車框架結構可能包含幾千個獨立的點焊,而越野車的底盤結構可能包含幾十個縫焊。

Ansys Mechanical 可讓使用者以高效、自動化的方式對點焊和縫焊建立模型。使用者可透過電腦輔助設計 (CAD) 系統中引進焊縫位置,快速建立點焊連接。這包括控制單個焊縫的剛度以進行準確表示的能力。便利的網格劃分工具可讓您在焊縫根部位置和熱影響區建立具有適當網格的焊縫,此對於預測疲勞壽命至關重要。

網格品質和焊縫壽命的重要性

焊接結構會受到各種負載條件的影響,包括諧波或隨機變化的負載、油箱加壓和減壓、汽車底盤加速、制動煞車和路面顛簸。

在評估疲勞負載下的焊縫壽命時,必須考慮改變基本材料特性的焊接法。焊接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造成不利影響。為了準確預測壽命,您還需要考慮上述情況以及焊接過程後的基本材料中的任何殘餘應變。

保持焊接連接中的熱影響區域以進行疲勞計算。

Maintain heat affected zones in weld connections for fatigue calculations.

在使用疲勞工具計算焊縫壽命時 可以考慮這些因素。因為壽命預測 對焊縫熱影響區的應力梯度很敏感,所以必須 在此區域中適度地調整網格大小。

結構化的四邊形網格是這些情況的理想選擇。 其適用於捕捉焊趾處的峰值應力和 區域周圍陡峭的應力梯度。而規則形狀的漸變網格大小, 是評估焊縫耐久性的理想選擇,以進行 不同的碰撞安全分析。在此處,為了計算效率,首選為 大小均勻的網格。

分級不良的網格大小可能會增加 顯式求解器的求解時間。對於碰撞和 NVH 分析,準確的 焊縫剛度的表示方式是最重要的。這對於 在模態和簡諧分析中,準確計算結構在動態 模態和諧波分析中的碰撞負載或固有頻率模式非常重要。

使用六面體元素模擬焊縫,以保持焊縫根部和焊趾位置

Seam welds simulated with hex elements to maintain weld root and toe locations.

 

Ansys Mechanical 具有明顯的優勢,可對焊接結構進行參數化設計。透過設計更改自動重新生成焊縫的能力大大地提高了生產率。以最少的碰撞、耐久性與 NVH 工作流程,便利地生成網格。以及與 Ansy nCode DesignLife 串聯來計算疲勞壽命,大幅地提升使用者體驗。

在我們的隨選網路研討會 Ansys Mechanical 提高 FEA 預處理生產力中獲得更多資訊。

您也可以參加 Ansys 學習中心的 Ansys Explicit Dynamics 課程

 



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