基于Visual Environment 焊接模擬方法

朱玉斌 于如信

（江蘇師范大學，江蘇 徐州 221116）

0 引言

在當今制造工藝中， 焊接是相當重要的金屬連接方法[1]。 如今的焊接工藝更是無處不在，大到造船業，小到電子芯片， 焊接技術都在其中發揮重要的性能。對于消除安全生產中的隱患， 焊接模擬起到了無法替代的影響[2]。 企業也更加希望利用焊接仿真模擬軟件對焊接生產整個過程進行有效模擬， 從而替代大量的試驗，節省成本。

焊接有限元軟件實際上是將微分方程利用在焊接領域的工具， 將影響焊接過程的因素轉化為變量，建立符合焊接過程的微分方程， 并將實際條件作為初始值進行求解。 使用軟件進行焊接模擬， 類似于使用一個"黑箱子"，使用者并不需要知道"黑箱子"，即模擬軟件里的微分方程到底是如何建立的， 只需將實驗條件輸入到軟件中， 就可以通過計算得到某時刻某節點的溫度等各種參數。而軟件的安裝與破解在windows 操作系統上是一個難題。 有些電腦只需要進行兩步破解操作就可以正常使用， 而有些電腦則不可以。 因此由于操作系統的復雜性與不穩定性， 破解軟件則成了一個相當棘手的問題。

焊接模擬軟件主要是用來模擬焊接過程， 從而根據模擬得到的各種溫度場、 應力場等結果， 進一步將焊接工藝參數進行優化， 最終預測經焊接后的工件各部分的組織性能。 廖根[3]利用有限元軟件對大型焊接鋼板節點的殘余應力進行數值模擬分析； 同樣， 馬小明[4]也利用軟件模擬焊接殘余應力的分布，只不過其是對基于帶狀移動熱源的J 形坡口進行模擬。 劉紅[5]和冀晴[6]分別利用有限元軟件模擬焊接的溫度場變化， 只不過一個是針對車燈面罩熱板的焊接進行的溫度場模擬， 另一個則是模擬鋁鋼薄板的溫度場變化。因此， 焊接模擬軟件可以模擬焊接過程的不同方面，如溫度場、應力場及變形等；不僅如此，軟件還可以對不同的焊接對象進行模擬，如管道結構、車燈面罩等，由此可見焊接數值模擬的適用范圍廣泛。

1 焊接模擬軟件選擇

隨著整個社會的進步， 計算機的硬件算力越來越強大。 隨之而來的是，出現了大量通用有限元軟件，然而通用有限元軟件在模擬焊接方面有局限性， 法國ESI 公司開發的有限元軟件Sysweld， 則是針對焊接過程進行開發，這就克服了上述問題。

工藝向導是Sysweld 有限元軟件所獨有的技術，使得用戶可以十分方便地完成關于焊接模擬的一系列設置。 Sysweld 軟件包含先進的求解器模塊及人性化的工藝向導，整個復雜的焊接過程可在Sysweld 軟件進行獨立仿真模擬。 此軟件的弊端也在于此， 其包含內容夠廣泛，但操作不夠簡潔，界面設計不夠友好。

Visual Environment 軟件則在繼承Sysweld 軟件優點的基礎上，克服了其缺點。 Visual Environment 軟件界面清爽， 讓使用者更容易理解操作邏輯。 Visual Environment 包 含 很 多 的 軟 件， 如Visual Mesh、Visual Weld 以 及Visual Viewer 等。 Visual Mesh 軟 件 是 進 行 網格的劃分和分組；Visual Weld 軟件相當于Sysweld 軟件的工藝向導， 指導用戶一步一步完成復雜的焊接過程；Visual Viewer 軟件則是后處理軟件， 對于焊接結果進行查看及進一步提取。

2 安裝及破解兩款軟件

2.1 Sysweld 軟件安裝及破解

軟件的安裝是使用軟件進行焊接模擬的基礎，Sysweld 安裝相對簡單，而且網上還流傳各種不同的安裝教程版本，此軟件的安裝只需注意兩點：

第一點， 在安裝Sysweld 軟件過程中， 不需重啟電腦，尤其是安裝EXCEED14 時，不需要根據提示進行重啟電腦， 是因為安裝Sysweld 的最后一步， 即配置lmtools 時，需要在Start/Stop/Reread 菜單欄里，如圖1 所示， 選中Force Server Shutdown， 按順序依次點擊Stop Server 及Start Server，這樣關閉再開啟服務驗證可以代替電腦重啟。 第二點是許可證文件一定要進行修改，需要將許可證中添加所安裝電腦的計算機名。 當Sysweld 軟件安裝完成后，會在電腦C 盤自動生成名為flexlm 的文件夾，需將修改后的許可證文件放在此文件夾中。

圖1 Start/Stop/Reread 菜單欄

2.2 Visual Environment 軟件安裝及破解

Visual Environment 的安裝一定要建立在Sysweld 成功安裝的基礎上。 Visual Environment 的軟件安裝很簡單,但是其破解方法相當復雜，網上資料殘缺不全，而且破解步驟不是很詳細， 所以在此將破解方法依次羅列出來。 破解共四個步驟：

首先將破解文件粘貼到安裝目錄（這一步最簡單，但是一定要替換，而不是刪掉后再粘貼）

其次將Visual Environment 軟件的許可證內容復制到Sysweld 的許可證文件內容尾端；

復制完成后， 將Visual Environment 的許可證放到SYsweld 許可證所在的文件夾中 （即C 盤的flexlm 的文件夾內）

最后改變系統環境變量： 將安裝Sysweld 軟件時新建的環境變量PAM_LMD_LICENSE_FILE 進行編輯，將其變量值增加一項， 增加的內容為Visual Environment 許可證文件所在位置（即C:flexlmlicense.dat），變量值之間以英文的分號隔開。

3 利用Visual Environment 進行焊接模擬的步驟

3.1 網格模型建立及分組定義

試驗所用的母材是Q345B， 試板尺寸是300mm×100mm×20mm，兩塊試板組裝成V 型坡口，且底部接頭相距6mm，焊道布置如圖1 所示，試樣采用六層焊接，且每一層的焊道數目都是兩道。

圖2 V 形坡口焊道布置示意圖

網格的劃分質量對于焊接模擬結果有著相當重要的作用。 由于焊縫附近的區域溫度場梯度較大， 所以網格相對密集一些。 距離熱源模型較遠的試板兩端的網格可以相對稀疏些。 此種網格劃分方法相對合理，焊縫區域密集的網格提高了模擬的精確度， 而試板兩端的相對稀疏的網格可以保證較短的計算時長。 最終焊接部件的網格模型如圖3 所示。

圖3 網格模型示意圖

當網格模型建立成功后， 接下來的操作就是建立焊接線以及參考線。 此操作需要在Visual Weld 軟件里進行。

3.2 設置前處理條件

設置前處理條件， 就是設置實際焊接實驗中的工藝參數。 焊接試驗采用的是型號為WSE-315 的逆變交直流氬弧焊機， 試驗電流在180A 上下浮動， 電壓在30V 上下浮動。 根據陳伯蠡[7]總結的不同焊接方法的熱效率值，可知，焊條電弧焊的熱效率(η)取值75%。熱源的輸入熱：

焊接線能量q/v 的計算公式為：

式中：U-焊 接電壓 (V)；

I-焊接電流 (A)；

v-焊接速度 (cm/s)；

η-熱效率系數。

3.3 設置夾持條件

在夾持條件選擇框內(Clamping Condition)，選擇之前設置好的夾持點，如圖4 所示，然后設置夾持的開始時間及結束時間。 在試驗中，先將鋼板墊在兩塊焊接母材之下，并將三者（兩塊焊件以及鋼板）進行焊接固定， 目的是讓焊件在焊接過程中保持較小的變形，焊點如圖4(a)所示。 必須將上述的焊接固定當做整個焊接過程中的夾持條件， 并在網格劃分中表現出來，如圖4(b)所示，在之前劃分的網格中，將相應的節點（圖中的紅色節點）設置為固定夾持點。

圖4 焊接工件的固定方法

4 總結

相較于其它有限元軟件，Visual Environment 軟件是專門進行焊接模擬的有效軟件， 破解此軟件需要更多的步驟。 使用Visual Environment 有限元軟件，利用合適的熱源模型， 根據試驗參數進行工藝向導的設置，對多層多道焊進行模擬。 模擬結束后， 可以利用Visual Viewer 軟件查看焊接后續結果， 溫度場及應力場的變化過程以及最終變形及翹曲角度等。 本次研究的意義在于熟悉Visual Environment 平臺對不同種類、 不同工藝參數的焊接進行數值模擬， 希望可以減少實際試驗次數，以此來降低焊接的研發費用，創造更大的利潤。