基于軟件集成環境下的焊接模擬仿真

張立平 ，張貴芝 ，吳 斌 ，周鵬翔 ，占小紅

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州221004；2.徐工集團工程機械有限公司 高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇徐州221004；3.徐州徐工隨車起重機有限公司，江蘇 徐州 221004；4.南京航空航天大學，江蘇 南京 211106）

基于軟件集成環境下的焊接模擬仿真

張立平 1，2，張貴芝 1，2，吳 斌 1，2，周鵬翔 3，占小紅 4

（1.江蘇徐州工程機械研究院，江蘇 徐州221004；2.徐工集團工程機械有限公司 高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇徐州221004；3.徐州徐工隨車起重機有限公司，江蘇 徐州 221004；4.南京航空航天大學，江蘇 南京 211106）

在焊接工藝仿真過程中，由于多種軟件之間數據轉化比較困難，且每一條焊縫均需要設定一個工況，使得有限元前處理過程復雜，而且效率較低。根據PRO/E，Hyper Mesh和MSC Marc軟件的特點，綜合運用軟件的各自優勢，并輔助一定的二次開發功能，完成MAG焊接從幾何建模、網格劃分、模型設定、分析計算到結果處理的整個過程，實現不同軟件之間的數據交互。平板對接實例表明，通過軟件集成進行焊接過程的仿真研究，充分利用了現有軟件的優勢，減少了CAE前處理工作量，提高了分析效率。

二次開發；TCL/TK；軟件集成；焊接仿真

0 前言

有限元法作為求解復雜工程問題的重要方法，應用非常廣泛[1]。隨著計算機技術的發展，工藝仿真過程的研究越來越多，以期達到優化設計和工藝參數、減少試驗成本、提高生產效率及產品質量的目的。在焊接領域中，利用數值模擬優化工藝已經取得許多進展[2]。但是在模型的前處理過程中，每個焊道都必須對應一個工況，同時還需設定焊接路徑、焊道填充以及邊界條件等。當進行整個結構件的焊接時，效率極低。

在工程應用中，各類專用有限元的軟件在幾何建模、網格劃分、分析計算等方面各有特色。雖然很多情況下只需要一種軟件就能完成整個模型的分析，但是模型的前處理比較復雜，效率不高且容易出錯[3]。因此，充分利用各軟件的優勢，集成軟件環境顯得尤為必要。

本研究利用TCL/TK語言集成 PRO/E、Hyper Mesh及MSC.Marc，分析如何利用現有的軟件資源建立集成環境，大大減少了MSC.Marc焊接仿真分析前處理的工作量，為利用MSC.Marc強大的非線性功能進行焊接工藝及方法的研究奠定了基礎。

1 焊接仿真分析流程

采用熱彈塑性有限元方法進行焊接仿真分析流程如圖1所示[4]。首先將幾何模型轉化成網格模型，然后輸入焊接熱源參數和材料參數，并施加熱邊界條件，進行求解后完成焊接溫度場的計算。在焊接結構分析中，以溫度場和結構約束為邊界條件進行焊接變形及焊接殘余應力的分析。

圖1 焊接仿真分析流程Fig.1 Analysis process of welding simulation

2 軟件集成方法

采用TCL/TK語言對Hyper Mesh進行二次開發，通過耦合和集成各軟件按照一定的順序執行相應的命令完成如圖2所示的數據流動。

圖2 數據流動Fig.2 Diagram of data flow

利用*createbutton和*beginmacro等命令將TCL/TK命令文件在Hyper Mesh中定義為宏按鈕，以便程序的調用，形成如圖3所示的程序開發界面[5]。軟件的執行流程如圖4所示。

圖3 軟件開發的界面Fig.3 Software development interface

圖4 軟件執行流程Fig.4 Flow diagram of the software

首先通過執行*feinputwithdata2使其讀入PROE模型文件，對模型進行網格劃分，通過hm_getfloat讀入焊接工藝參數，通過*createmarkpanel選擇約束及焊道組件，依據設定好的計算參數生成焊接邊界、焊接工況以及inp網格文件及求解文件。在MSC.Marc中通過執行命令完成焊接仿真的模擬。

3 軟件集成綜合運用實例

3.1 物理模型建立

兩塊Q345鋼尺寸為200 mm×200 mm×10 mm開V型坡口進行平板對接焊。幾何模型如圖5所示。MAG焊接工藝參數如表1所示。

圖5 平板對接焊幾何模型Fig.5 Geometrical model of butt plate

表1 焊接工藝參數Table 1 Welding process parameters

3.2 有限元模型建立

單擊import geometry，讀入PROE的模型文件，對模型進行實體單元網格劃分；為保證計算精度，母材網格劃分為2～3層；為提高計算速度，將焊縫和熱影響區的單元網格控制在2 mm，而遠離焊縫區域的網格控制在6 mm[6]。

點擊input weld velocity，輸入焊接速度等數據；點擊assign material輸入如圖6所示的Q345動態熱物理性能參數；根據MAG焊接特點及現場約束方式，選擇Goldark雙橢球體熱源作為焊接熱源邊界條件，換熱系數設置為 0.02 N/mm2·sec·K，采用位移約束定義力學邊界條件，點擊add constrain設定熱源類型、散熱系數及力學邊界條件。

圖6 Q345熱-力參量與溫度的關系Fig.6 Relationship between thermo-mechanical parameters and temperature of Q345

設定完上述參數后，點擊choose weldcomp選擇焊道組件，采用節點法定義焊接線和參考線，程序自動計算焊道的截面積，確定雙橢球熱源的參數，自動計算焊道長度，并根據焊接速度計算出焊接時間，從而完成焊接邊界、焊接工況的設定，并輸出命令。

點擊job result按鈕，根據網格數量自動對模型進行分塊設定，并設定提取焊接變形、焊接殘余應力等結果。

單擊output inp file和output marc command輸出MSC.Marc計算需要的網格文件及命令文件，并啟動MSC.Marc自動生成計算需要的dat文件。部分命令如下所示。

3.3 計算結果分析

計算完成后，提取對接接頭的總體變形情況，如圖7所示。

圖7 焊接變形云圖Fig.7 Contour of welding deformation

由圖7可知，對接平板橫向收縮的主要原因是母材在焊接過程中首先受熱膨脹，當焊縫金屬凝固時，已膨脹的母材金屬必然收縮，而該收縮就是對接接頭橫向收縮的主要組成部分。沿焊縫方向發生縱向收縮，主要在焊縫首尾處。平板垂直焊縫方向上呈收縮狀態，遠離焊縫兩側的母材邊緣向上翹曲，造成角變形，變形趨勢與實際情況相吻合。

計算完成后，提取對接接頭的焊接殘余應力分布情況，如圖8所示。

圖8 焊接殘余應力云圖Fig.8 Contour of welding residual stress distribution

由圖8a可知，隨著距焊縫中心距離的減小，垂直焊縫方向上橫向殘余應力呈遞增趨勢，至熱影響區應力達到最大，焊縫上應力有所回落，且焊縫兩側母材處應力呈對稱分布；圖8b為沿焊縫方向的縱向殘余應力云圖。焊縫及其附近區域受拉應力，兩側受壓。焊道中間拉應力最大，向兩端逐漸減小。

3.4 分析時間

針對該模型分別采用軟件集成與否進行計算對比，如表2所示。集成前后網格劃分和模型計算工作耗時相同，而軟件集成后模型處理時間減少50%，大大減少了MSC.Marc進行焊接仿真分析前處理的工作量，提高了焊接模擬計算效率。

表2 軟件集成前后焊接模擬仿真對比Table 2 Comparison of welding simulation between nonsoftware integration and software integration s

4 結論

采用TCL/TK語言集成各軟件，綜合運用多種軟件進行分析及前后處理，使幾何建模、網格劃分及模型設定等過程操作方便，實現資源的有效共享，極大減少了模型在MSC.Marc焊接邊界條件設定的工作量，將焊接邊界條件設定的時間縮短50%，有效地提高計算分析效率。綜合應用多軟件解決工程實際問題，整個處理過程條理清楚，相對于單一軟件處理，提高了解決問題的效率和精度。

[1]蔣學武，吳新躍，朱石堅.綜合應用UG，HyperMesh和MSC Marc軟件進行有限元分析[J].計算機輔助工程，2007，16（2）：11-14.

[2]蔡志鵬，趙海燕，吳梗，等.串熱源模型及其在焊接數值模擬中的應用[J].機械工程學報，2001，37（4）：25-28.

[3]魏奇業，華賁.軟件集成環境下的精餾塔動態仿真[J].計算機仿真，2004，21（9）：67-70.

[4]Dean Deng，Yijun Zhou，Tao Bi，et al.Experimental and numerical investigations of welding distortion induced by CO2gas arc welding in thin-plate bead-on joints[J].Materials and Design，2013（52）：720-729.

[5]王鈺棟，金磊，洪清泉.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M].北京：機械工業出版社，2012.

[6]張立平，房元斌，吳斌，等.單元類型對焊接數值計算精度的影響[J].電焊機，2016，46（11）：88-91+110.

Welding simulation in software integration environment

ZHANG Liping1，2，ZHANG Guizhi1，2，WU Bin1，2，ZHOU Pengxiang3，ZHAN Xiaohong4
（1.Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China；2.State key Laboratory of Intelligent Manufacturing of Advanced Construction Machinery，XCMG Construction Machinery Co.，Ltd.，Xuzhou 221004，China；3.XCMG Xuzhou Truck-Mounted Crane Co.，Ltd.，Xuzhou 221004，China；4.Najing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211106，China）

In the process of welding simulation，it was difficult to convert data among different software，and also needed to set a single load case for each welding seam，which made the finite element pre-processing complicated and low efficiency.The PRO/E，Hyper Mesh and MSC Marc software were synthetically applied in the whole process of MAG welding from geometric modeling，meshing，model setting，calculating and analyzing to result processing based on their respective characteristic and secondary development function，and achieved data exchange between different software.Examples of butt plates welding showed that the simulation of welding process through software integration made full use of the advantages of the existing software，decreased the workload of CAE pretreatment，and improved the efficiency of analysis.

secondary development；TCL/TK；software integration；welding simulation

TG409

A

1001－2303（2017）11－0052-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.11.10

本文參考文獻引用格式：張立平，張貴芝，吳斌，等.基于軟件集成環境下的焊接模擬仿真[J].電焊機，2017，47（11）：52-55.

2017-01-09

張立平（1986—），男，碩士，工程師，主要從事焊接數值模擬的研究。E-mail：15094347413@163.com。