chap1-焊接CAE概论资料.pdf

焊接焊接CAE 主讲：匡唐清主讲：匡唐清 华东交通大学机电工程学院材料工程系华东交通大学机电工程学院材料工程系 课程说明课程说明 课程性质课程性质 材料成型及控制工程专业材料成型及控制工程专业 焊接方向焊接方向 专业课程专业课程 课时课时 40学时（学时（20课时课时+20机时）机时） 考核方式考核方式 考勤考勤+上机考核上机考核 课程前后关联课程前后关联 各焊接工艺各焊接工艺 焊接焊接CAE实训实训1周周 毕业设计毕业设计 课程内容课程内容 焊接焊接CAE概论概论 焊接焊接CAE前处理前处理——Visual Mesh网格划分网格划分 焊接焊接CAE前处理前处理——Sysweld热源校核热源校核 焊接焊接CAE求解求解——Sysweld参数设置与求解参数设置与求解 焊接焊接CAE后处理后处理——Visual Viewer结果显示结果显示 焊接焊接CAE——Visual Weld 焊接焊接CAE实例实例 焊接焊接CAE概论概论 CAE技术技术 焊接焊接CAE技术技术 Sysweld软件简介软件简介 CAE技术技术 CAE技术的概念技术的概念 CAE技术的作用技术的作用 CAE技术的思想技术的思想 CAE技术的实现技术的实现-CAE软件软件 CAE技术技术 CAE技术的概念技术的概念 广义：包括工程和制造业信息化的所有方面广义：包括工程和制造业信息化的所有方面 狭义（传统）：主要指用狭义（传统）：主要指用计算机计算机对工程和产品进对工程和产品进 行性能与安全可靠性行性能与安全可靠性分析分析，对其未来的工作状态，对其未来的工作状态 和运行行为进行和运行行为进行模拟模拟，及早发现设计缺陷，并，及早发现设计缺陷，并预预 测测未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。

未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性 CAE技术技术 CAE技术的作用技术的作用 增强设计功能增强设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的，借助计算机分析计算，确保产品设计的 合理性，减少设计成本合理性，减少设计成本; 缩短设计和分析的循环周期缩短设计和分析的循环周期; CAE分析起到的“分析起到的“虚拟样机虚拟样机”作用在很大程度上替代了”作用在很大程度上替代了 传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程， 虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性; 在产品制造或工程施工前在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题预先发现潜在的问题; 采用采用优化设计优化设计，找出产品设计最佳方案，找出产品设计最佳方案,降低材料的消耗降低材料的消耗 或成本或成本; 模拟各种试验方案模拟各种试验方案，减少试验时间和经费，减少试验时间和经费; 进行进行事故分析事故分析，查找事故原因查找事故原因 CAE技术技术 CAE技术的思想技术的思想 通过建立能够通过建立能够准确描述研究对象某一过程准确描述研究对象某一过程的的数学数学 模型模型，采用合适可行的，采用合适可行的求解求解方法，使得在计算机方法，使得在计算机 上上模拟仿真模拟仿真出研究对象的特定过程出研究对象的特定过程 CAE技术技术 CAE技术的思想技术的思想 分析对象状况分析对象状况/过程的数学描述过程的数学描述 材料材料 成型成型 过程过程 控制方程控制方程 （一组微分方程）（一组微分方程） 质量方程质量方程 运动方程运动方程 能量方程能量方程 本构方程本构方程 …… 边界条件边界条件 初值条件初值条件 以流体充填为例以流体充填为例 CAE技术技术 CAE技术的思想技术的思想 数值求解数值求解 控制方程控制方程（一组微分方程）（一组微分方程） 质量方程质量方程 运动方程运动方程 能量方程能量方程 本构方程本构方程 …… 边界条件边界条件 初值条件初值条件 解解 析析 解解 数数 值值 解解 简单简单 复杂复杂 计算机计算机 以流体充填为例以流体充填为例 CAE技术技术 CAE技术的思想技术的思想 数值求解数值求解 CAE技术技术 CAE技术的思想技术的思想 数值求解数值求解 有限差分法有限差分法 差分代替微分差分代替微分，，将求解对象在时间、空间离散，对每个离散将求解对象在时间、空间离散，对每个离散 单元单元进行各种物理场分析，然后将所有单元的求解结果汇总进行各种物理场分析，然后将所有单元的求解结果汇总 有限元法有限元法 将求解域离散为一组有限个形状简单且仅在节点处相互连接将求解域离散为一组有限个形状简单且仅在节点处相互连接 的的单元单元的集合体，在每个单元内用满足一定要求的的集合体，在每个单元内用满足一定要求的插值函数插值函数 描述基本未知量在其中的分布描述基本未知量在其中的分布 有限体积法有限体积法 将计算区域划分为一系列互不重叠的将计算区域划分为一系列互不重叠的控制体控制体，并使每个网格，并使每个网格 点周围有一个控制体；将点周围有一个控制体；将待求解的微分方程对每一个控制体待求解的微分方程对每一个控制体 积积分积积分，便得出一组离散方程。

便得出一组离散方程 …… CAE技术技术 CAE技术的思想技术的思想 分析对象状况分析对象状况/过程过程的虚拟呈现的虚拟呈现 数值解数值解（微分方程）（微分方程） 位移场（变形场）位移场（变形场） 速度场速度场 应力应力/ /应变场应变场 温度场温度场 …… 过过 程程 状状 况况 CAE技术技术 CAE技术的实现技术的实现-CAE软件软件 CAE软件的组成软件的组成 前处理模块前处理模块 后处理模块后处理模块 求求 解解 器器 多物理场分析多物理场分析 温度场、流场温度场、流场 应力应力/应变场应变场 位移位移/变形变形 组织模拟等组织模拟等 曲线、图形、曲线、图形、 图像、动画等图像、动画等 CAD造型造型 网格划分网格划分 材料参数材料参数 工艺参数工艺参数 结果分析结果分析 优化策略优化策略 原始方案原始方案 优化方案优化方案 CAE技术技术 CAE技术的实现技术的实现-CAE软件软件 CAE软件的分类软件的分类 通用软件通用软件 可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、 模拟和预测、评价和优化模拟和预测、评价和优化,以实现产品技术创新的软件。

以实现产品技术创新的软件 Ansys（美国）（美国）  融融结构、流体、电场、磁场、声场分析结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通于一体的大型通 用有限元分析软件用有限元分析软件  可应用于以下工业领域：可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医航空航天、汽车工业、生物医 学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、 运动器械等运动器械等  目前目前ANSYS公司为全球最大的仿真软件公司公司为全球最大的仿真软件公司 CAE技术技术 锥柱结合壳结构焊接残余应力数值模拟锥柱结合壳结构焊接残余应力数值模拟 内、外表面的轴向应力分布内、外表面的轴向应力分布 有限元模型有限元模型 以大型有限元软件以大型有限元软件ANSYS为基础，开发相应的焊接程序，为基础，开发相应的焊接程序， 对锥柱结合结构焊接过程中结构的残余应力进行数值模拟对锥柱结合结构焊接过程中结构的残余应力进行数值模拟 CAE技术技术 CAE技术的实现技术的实现-CAE软件软件 CAE软件的分类软件的分类 通用软件通用软件 Abaqus  一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的 范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。

范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题  除了能解决大量结构（应力除了能解决大量结构（应力 / 位移）问题，还可以模拟位移）问题，还可以模拟 其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热 电耦合分析、振动与声学分析、岩土力学分析（流体渗电耦合分析、振动与声学分析、岩土力学分析（流体渗 透透 / 应力耦合分析）及压电介质分析应力耦合分析）及压电介质分析 CAE技术技术 CAE技术的实现技术的实现-CAE软件软件 CAE软件的分类软件的分类 专用软件专用软件 针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预 测和优化的软件测和优化的软件 铸造：铸造：ProCAST 锻造：锻造： Simufact forming、、DEFORM 冲压：冲压：DYNAFORM 焊接：焊接：SYSWELD 注塑：注塑：Moldflow，，Moldex 3D 挤塑：挤塑：Polyflow CAE技术技术 CAE技术的实现技术的实现-CAE软件软件 CAE软件分析精度的影响因素软件分析精度的影响因素 数学模型描述的偏差数学模型描述的偏差 材料材料 工艺描述的偏差工艺描述的偏差 网格划分网格划分 单元类型单元类型 网格密度网格密度 求解方法求解方法 焊接焊接CAE技术技术 焊接过程的特点焊接过程的特点 焊接过程中温度－应力和变形－组织转变的焊接过程中温度－应力和变形－组织转变的 关系关系 焊接焊接CAE技术技术 焊接焊接CAE分析的对象分析的对象 焊接过程数值分析的主要困难焊接过程数值分析的主要困难 焊接焊接CAE方法方法 焊接焊接CAE软件软件 焊接焊接CAE技术技术 焊接过程的特点焊接过程的特点 运动热源运动热源 伴随着焊缝伴随着焊缝熔敷金属的填充熔敷金属的填充 焊接过程中焊接过程中温度变化剧烈温度变化剧烈 材料的材料的物性随温度非线性变化物性随温度非线性变化 焊接熔池进行着复杂的焊接熔池进行着复杂的冶金冶金反应，焊缝的形成是反应，焊缝的形成是 热力学过程和力学行为等综合作用的结果热力学过程和力学行为等综合作用的结果 焊接焊接CAE技术技术 焊接过程中温度－应力和变形－组织转变的焊接过程中温度－应力和变形－组织转变的 关系关系 热力学热力学 温度场温度场 力力学学 应力和变形场应力和变形场 金金 相相 学学 显微组织状态场显微组织状态场 应力导致相变应力导致相变 相变应力相变应力 焊接焊接CAE技术技术 目前，焊接在航空、航海和汽车等行业扮演目前，焊接在航空、航海和汽车等行业扮演 者重要的角色，发挥着巨大的作用；者重要的角色，发挥着巨大的作用； 焊接也存在着各种各样的特殊问题：焊接也存在着各种各样的特殊问题：热膨胀热膨胀 和收缩和收缩、、应力和变形应力和变形、、微观结构变化微观结构变化。

由于由于 这些问题的存在，限制了焊接的应用和稳定这些问题的存在，限制了焊接的应用和稳定 性 仿真仿真已成为早期预测产品设计、加工工艺、已成为早期预测产品设计、加工工艺、 实际使用中可能产生问题的主要手段实际使用中可能产生问题的主要手段 焊接焊接CAE技术技术 焊接焊接CAE技术技术 焊接数值模拟技术的发展是随着焊接实践经验的焊接数值模拟技术的发展是随着焊接实践经验的 积累，积累，有限元有限元数值模拟技术，数值模拟技术，计算机计算机技术等的发技术等的发 展而逐步开始的展而逐步开始的 焊接工艺的仿真，主要是针对焊接焊接工艺的仿真，主要是针对焊接温度场温度场，，残余残余 应力应力，，变形变形等几个方面从而改善焊接部件的制等几个方面从而改善焊接部件的制 造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工 艺过程 传统焊接质量的好坏非常依赖于焊接工人的经验传统焊接质量的好坏非常依赖于焊接工人的经验 焊接焊接CAE技术技术就是就是利用数值模拟方法找到优化利用数值。