Abaqus焊接过程的数值模拟（二十五）电弧焊接热力耦合综合实例2

4.定义分析步

1)在 Module 下拉列表中选择 Step选项，进入 Step 模块，在菜单栏中选择Step→Create 命令，或者在工具栏中单击按钮，打开 Create Step 对话框，命名分析步为 Welding，选择分析步类型为Heattransfer(热传导分析)，单击 Continue按钮。打开 Edit Step 对话框,在 Description(描述)文本框中输入“Thisisaweldingstep”，接受默认的瞬态分析类型。在Time period(时长)文本框中输入此分析步的持续时间，在本例中也就是焊接的时间，可取焊道长度/焊接速度，即200/(250/60)=48(s)。

 

2) 如图 4-9所示，在Incrementation(增量步)选项卡中输入相关数据，单击 OK 按钮，完成焊接分析步的创建。

 

其中，Maximum number ofincrements 默认值为 100，而焊接过程一般均需要较多的增量步才能完成,因此需要设为一个较大的数值(取10000)。对于 Incrementsize 的设置，由于焊接过程热量集中，变量局部梯度较大，因此需要设置为较小的增量步才能保证收敛。为此，Initial(初始增量步)可设为0.001s，Minimum(最小增量步)可设为1E-006s，Maximum(最大增量步)可设为0.2s。Max.allowabletemperature change per increment(每增量步最大允许的温度变化)要考虑不能允许模拟过程中温度变化过快，过快的温度变化会造成误差，并影响后续应力场计算时的精度和收敛性，此处可设为材料从室温到熔点的温度跨度(1500K)。其他保持默认设置，单击 OK 按钮完成此焊接分析步的设定。

 

3) 采用相同的方法再创建一个散热分析步，并命名为Cooling。这个分析步需要长一点的时间，以保证工件能够冷却到接近室温，这里可设为600s。由于散热分析步温度变化没有焊接分析步那么剧烈，因此增量步的设置不用像焊接分析步那样严格，可参照图 4-10 进行设置。

 

 

图 4-9焊接分析步 Incrementation 选项卡的设置

 

 

图4-10散热分析步Incrementation 选项卡的设置

 

4)接下来进行输出变量的设置，Abaqus为每个计算设置了默认的输出，用户可根据自己的需要进行修改。为方便起见,在本例中只需要输出节点温度(nodaltemperature，NT)即可。在工具栏中单击国按钮，打开LoadManager(管理器)对话框，单击 Edit 按钮，打开Edit Field Output Request(编辑输出场变量)对话框，修改默认输出为 NT，如图 4-11所示，完成后单击 OK 按钮。

 

 

图4-11 场变量输出设置

 

5.定义相互接触

1)在 Module 下拉列表中选择Interaction选项，进入Interaction 模块，定义相互接触。在本例中，需要定义构件表面向外界的辐射值。

 

2) 在菜单栏中选择 Create-Interaction命令，或者在工具箱中单击量按钮打开 Create Interaction 对话框，选择 Surface radiation 选项，单击 Continue 按钮。

 

3) 在提示区选择辐射面，在图形界面区选取构件所有外围表面作为辐射面并单击 Done 按钮，打开 Edit Interaction 对话框。在 Emissivity 文本框中输入“0.7”作为平均发射率，并将Ambient temperature(环境温度)设为293，如图4-12所示，然后单击 OK 按钮完成设置。

 

 

图4-12 表面辐射设置

 

4)在计算表面辐射时，需要设置绝对零度与Stefan-Boltzmann 常数。在菜单栏中选择 Model→Edit Attributes→Model-1(编辑模型属性)命令，打开 Edit ModelAttributes 对话框，勾选 Absolute zero temperature(绝对零度)复选框，并输入“0”勾选 Stefan-Boltzmann constant(Stefan-Boltzmann 常数)复选框,并输入“5.67E-011”如图 4-13 所示，单击 OK 按钮完成设置。

 

 

图4-13 Stefan-Boltzmann 常数的设置

 

6.定义载荷

1)在 Module 下拉列表中选择 Load 选项，进入 Load 模块，施加载荷。

 

2)在菜单栏中选择 Load→Create 命令，或者在工具箱中单击山按钮，打开Create Load 对话框，为 Welding 分析步选择载荷类型为 Surface heat flux(表面热流输入，适用于平面热源:如果是体热源,如双椭球形体热源，则应选择 Body heatflux)，单击 Continue 按钮。

 

4) 在提示区选择热源施加区域。如果是平面热源，则选择模型的上表面;如果是体热源，则选择三维模型整体。单击Done按钮，打开EditLoad 对话框，在Distribution(分布)下拉列表中选择 User-defined(用户自定义热流分布),Magnitude(幅值)文本框无须输入(由于热流幅值的大小会根据自定义子程序进行定义，因此此值并无实际意义)。焊接分析步载荷设置完成后，Abagus会默认载荷持续到后续的分析步，此时需移除散热分析步的热源载荷。在工具栏中单击要按钮，在打开的 Load Manager 对话框中单击Cooling下的 Propagated(延续)，然后单击Deactivated(移除)按钮，移除散热分析步的热源载荷，如图4-14所示。

 

4)定义初始温度。因为选择K作为温度单位，此时如果不对初始温度进行设置，则程序会自动以0K作为初始温度进行计算。在菜单栏中选择PredefinedField→Create(预定义场变量)命令，或者在工具箱中单击按钮，打开CreatePredefined Field 对话框，依次选择分析步为Initial，种类为Other，类型为

 

Temperature，然后单击Continue 按钮。在提示区选择整个工件作为施加初始温度的区域，并在随后打开的 Magnitude 对话框中输入“293”作为初始温度。完成后单击 OK 按钮退出初始场变量设置。

 

 

图 4-14移除散热分析步的热源载荷

 

7.划分网格

1)在 Module 下拉列表中选择 Mesh 选项，进入 Mesh 模块。在菜单栏中选择Seed(种子)→Imstance 命令，或者在工具箱中单击…按钮，打开 Global Seeds(全种子)对话框，在 Approximate global size 文本框中输入“2”作为整体网格尺寸，然后单击 OK 按钮完成网格大小设置。

 

2) 在菜单栏中选择 Mesh-Instance 命令，或者在工具箱中单击圈按钮，完成网格剖分。

 

3)在工具箱中单击〓按钮，打开 Element Type 对话框，选择单元类型为线性8节点热传导单元 DC3D8，如图4-15 所示，然后单击OK按钮完成设置。

 

 

图4-15 单元类型选择

 

8.编写分布热流子程序 DFLUX

通过自定义子程序 DFLUX 写出热流密度 q(r)与焊接时刻、空间位置之间的关系，即q与r之间的关系【式(4-2)]。通过式(4-2)可以看出，r为高斯热源作用面上任意一点与热流中心之间的距离。设有效加热半径R=5mm，则 DFLUX子程序可按如下编写。

 

 

 

打开任意文本编辑器(如记事本、Gvim 等)，按照 FORTRAN 语言书写规范输入上述程序，然后保存到Abagus工作目录，并命名为dflux.for。

 

9.建立任务并提交计算

1)在Module下拉列表中选择Job选项，进入Job 模块，在菜单栏中选择Job→Create 命令，或者在工具箱中单击星按钮，打开Create Job 对话框，将其命名为 Thermal，然后单击 Continue 按钮，打开 Edit Job 对话框，在 General 任务页面的 User subroutine fle中指定上述子程序文件 dfux.for。

 

至此模型的前处理工作进行完毕,可从Abaqus/CAE 菜单栏中选择File→Saveas 命令保存此.cae 文件。

 

Abaqus 可以用两种方式对模型提交计算:一是以前台方式提交，其优点是可以比较直观地察看迭代过程、错误及警告信息等，但占用内存较大;二是以后台命令行方式提交，此种方法能比较灵活地应用命令行指令，也比较节省内存。

 

2）以前台方式提交计算。在菜单栏中选择Job→Manager命令，或者在工具栏中单击黑按钮，打开Job Manager 对话框，单击Write input(写输入文件)按钮可输出.inp 文件 thermal.inp到Abaqus 工作目录，单击 Submit(提交)按钮可提交任务开始计算，单击 Monitor 按钮可观察分析的进程。分析结束后，单击 Results按钮，对结果进行可视化。

 

3) 以后台命令行方式提交计算。在 Windows操作系统中选择“开始”→“所有程序”→Abaqus xxx→Abaqus Command 命令，从命令行窗口进入工作目录，输入“abaqus job=thermaluser=dflux int”提交计算。

 

计算完成后，在命令行窗口输入“abaqus viewer odb=thermal”查看可视化结果。

 

10.可视化结果

在计算完成后，会在工作目录中产生一个Thermal.odb 文件，即为结果数据库文件。可在 Abaqus/CAE 中打开该文件，方法如下。1)在 Module 下拉列表中选择 Visualization 选项，进入 Visualization 模块。在工具箱中单击厂按钮，显示计算结果云图。

 

2) 在菜单栏中选择 Result-Field Output(场变量输出)命令,打开 Field Output对话框，选择NT11(即节点温度)可以显示温度场分布。单击工具栏中的m"叫按钮，可以显示不同分析步、不同时刻的温度场结果。

 

3) 镜像对称操作。因为模型的整体对称关系，在计算时只计算了一半，可通过镜像对称功能完成镜像模型的结果显示。在工具箱中单击“按钮，打开ODB Display Options(结果显示选项)对话框，单击Mirror/Pattern(镜像/样式)选项卡，观察模型对称性，勾选xz平面作为镜像对称面，单击OK按钮完成设置。典型温度场结果如图4-16所示。

 

4) 绘制各点的温度历史曲线，在菜单栏中选择Tools→XYData→Create 命令或者在工具箱中单击图按钮，打开 Create XYData 对话框，勾选 ODB feld output单选按钮，即通过输出场变量来绘制xy曲线。然后单击Continue 按钮，打开XYData from ODB Field Output 对话框(图4-17)，选择 Variables(变量)选项卡，在Position(位置)下拉列表中选择Unique Nodal(单个节点)。然后选取 NT11 为输出变量。选择Elements/Nodes选项卡，单击EditSelection(编辑选择)按钮，然后在图形界面区中按住 Shif键，依次选取关心的节点，如图4-18所示，最后单击 Plot 按钮绘制xy 曲线。

 

 

图4-16 焊接过程中的温度场云图

 

 

图 4-17温度场xy曲线的绘制

 

 

图4-18 节点的定义

 

各点的温度历史曲线如图 4-19 所示

 

图4-19 各点的温度历史曲线

 

（内容、图片来源：《焊接过程数值模拟》一书，侵删）

 

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