基于Visual Environment 焊接模拟方法

朱玉斌 于如信

（江苏师范大学，江苏 徐州 221116）

0 引言

在当今制造工艺中， 焊接是相当重要的金属连接方法[1]。 如今的焊接工艺更是无处不在，大到造船业，小到电子芯片， 焊接技术都在其中发挥重要的性能。对于消除安全生产中的隐患， 焊接模拟起到了无法替代的影响[2]。 企业也更加希望利用焊接仿真模拟软件对焊接生产整个过程进行有效模拟， 从而替代大量的试验，节省成本。

焊接有限元软件实际上是将微分方程利用在焊接领域的工具， 将影响焊接过程的因素转化为变量，建立符合焊接过程的微分方程， 并将实际条件作为初始值进行求解。 使用软件进行焊接模拟， 类似于使用一个"黑箱子"，使用者并不需要知道"黑箱子"，即模拟软件里的微分方程到底是如何建立的， 只需将实验条件输入到软件中， 就可以通过计算得到某时刻某节点的温度等各种参数。而软件的安装与破解在windows 操作系统上是一个难题。 有些电脑只需要进行两步破解操作就可以正常使用， 而有些电脑则不可以。 因此由于操作系统的复杂性与不稳定性， 破解软件则成了一个相当棘手的问题。

焊接模拟软件主要是用来模拟焊接过程， 从而根据模拟得到的各种温度场、 应力场等结果， 进一步将焊接工艺参数进行优化， 最终预测经焊接后的工件各部分的组织性能。 廖根[3]利用有限元软件对大型焊接钢板节点的残余应力进行数值模拟分析； 同样， 马小明[4]也利用软件模拟焊接残余应力的分布，只不过其是对基于带状移动热源的J 形坡口进行模拟。 刘红[5]和冀晴[6]分别利用有限元软件模拟焊接的温度场变化， 只不过一个是针对车灯面罩热板的焊接进行的温度场模拟， 另一个则是模拟铝钢薄板的温度场变化。因此， 焊接模拟软件可以模拟焊接过程的不同方面，如温度场、应力场及变形等；不仅如此，软件还可以对不同的焊接对象进行模拟，如管道结构、车灯面罩等，由此可见焊接数值模拟的适用范围广泛。

1 焊接模拟软件选择

随着整个社会的进步， 计算机的硬件算力越来越强大。 随之而来的是，出现了大量通用有限元软件，然而通用有限元软件在模拟焊接方面有局限性， 法国ESI 公司开发的有限元软件Sysweld， 则是针对焊接过程进行开发，这就克服了上述问题。

工艺向导是Sysweld 有限元软件所独有的技术，使得用户可以十分方便地完成关于焊接模拟的一系列设置。 Sysweld 软件包含先进的求解器模块及人性化的工艺向导，整个复杂的焊接过程可在Sysweld 软件进行独立仿真模拟。 此软件的弊端也在于此， 其包含内容够广泛，但操作不够简洁，界面设计不够友好。

Visual Environment 软件则在继承Sysweld 软件优点的基础上，克服了其缺点。 Visual Environment 软件界面清爽， 让使用者更容易理解操作逻辑。 Visual Environment 包 含 很 多 的 软 件， 如Visual Mesh、Visual Weld 以 及Visual Viewer 等。 Visual Mesh 软 件 是 进 行 网格的划分和分组；Visual Weld 软件相当于Sysweld 软件的工艺向导， 指导用户一步一步完成复杂的焊接过程；Visual Viewer 软件则是后处理软件， 对于焊接结果进行查看及进一步提取。

2 安装及破解两款软件

2.1 Sysweld 软件安装及破解

软件的安装是使用软件进行焊接模拟的基础，Sysweld 安装相对简单，而且网上还流传各种不同的安装教程版本，此软件的安装只需注意两点：

第一点， 在安装Sysweld 软件过程中， 不需重启电脑，尤其是安装EXCEED14 时，不需要根据提示进行重启电脑， 是因为安装Sysweld 的最后一步， 即配置lmtools 时，需要在Start/Stop/Reread 菜单栏里，如图1 所示， 选中Force Server Shutdown， 按顺序依次点击Stop Server 及Start Server，这样关闭再开启服务验证可以代替电脑重启。 第二点是许可证文件一定要进行修改，需要将许可证中添加所安装电脑的计算机名。 当Sysweld 软件安装完成后，会在电脑C 盘自动生成名为flexlm 的文件夹，需将修改后的许可证文件放在此文件夹中。

图1 Start/Stop/Reread 菜单栏

2.2 Visual Environment 软件安装及破解

Visual Environment 的安装一定要建立在Sysweld 成功安装的基础上。 Visual Environment 的软件安装很简单,但是其破解方法相当复杂，网上资料残缺不全，而且破解步骤不是很详细， 所以在此将破解方法依次罗列出来。 破解共四个步骤：

首先将破解文件粘贴到安装目录（这一步最简单，但是一定要替换，而不是删掉后再粘贴）

其次将Visual Environment 软件的许可证内容复制到Sysweld 的许可证文件内容尾端；

复制完成后， 将Visual Environment 的许可证放到SYsweld 许可证所在的文件夹中 （即C 盘的flexlm 的文件夹内）

最后改变系统环境变量： 将安装Sysweld 软件时新建的环境变量PAM_LMD_LICENSE_FILE 进行编辑，将其变量值增加一项， 增加的内容为Visual Environment 许可证文件所在位置（即C:flexlmlicense.dat），变量值之间以英文的分号隔开。

3 利用Visual Environment 进行焊接模拟的步骤

3.1 网格模型建立及分组定义

试验所用的母材是Q345B， 试板尺寸是300mm×100mm×20mm，两块试板组装成V 型坡口，且底部接头相距6mm，焊道布置如图1 所示，试样采用六层焊接，且每一层的焊道数目都是两道。

图2 V 形坡口焊道布置示意图

网格的划分质量对于焊接模拟结果有着相当重要的作用。 由于焊缝附近的区域温度场梯度较大， 所以网格相对密集一些。 距离热源模型较远的试板两端的网格可以相对稀疏些。 此种网格划分方法相对合理，焊缝区域密集的网格提高了模拟的精确度， 而试板两端的相对稀疏的网格可以保证较短的计算时长。 最终焊接部件的网格模型如图3 所示。

图3 网格模型示意图

当网格模型建立成功后， 接下来的操作就是建立焊接线以及参考线。 此操作需要在Visual Weld 软件里进行。

3.2 设置前处理条件

设置前处理条件， 就是设置实际焊接实验中的工艺参数。 焊接试验采用的是型号为WSE-315 的逆变交直流氩弧焊机， 试验电流在180A 上下浮动， 电压在30V 上下浮动。 根据陈伯蠡[7]总结的不同焊接方法的热效率值，可知，焊条电弧焊的热效率(η)取值75%。热源的输入热：

焊接线能量q/v 的计算公式为：

式中：U-焊 接电压 (V)；

I-焊接电流 (A)；

v-焊接速度 (cm/s)；

η-热效率系数。

3.3 设置夹持条件

在夹持条件选择框内(Clamping Condition)，选择之前设置好的夹持点，如图4 所示，然后设置夹持的开始时间及结束时间。 在试验中，先将钢板垫在两块焊接母材之下，并将三者（两块焊件以及钢板）进行焊接固定， 目的是让焊件在焊接过程中保持较小的变形，焊点如图4(a)所示。 必须将上述的焊接固定当做整个焊接过程中的夹持条件， 并在网格划分中表现出来，如图4(b)所示，在之前划分的网格中，将相应的节点（图中的红色节点）设置为固定夹持点。

图4 焊接工件的固定方法

4 总结

相较于其它有限元软件，Visual Environment 软件是专门进行焊接模拟的有效软件， 破解此软件需要更多的步骤。 使用Visual Environment 有限元软件，利用合适的热源模型， 根据试验参数进行工艺向导的设置，对多层多道焊进行模拟。 模拟结束后， 可以利用Visual Viewer 软件查看焊接后续结果， 温度场及应力场的变化过程以及最终变形及翘曲角度等。 本次研究的意义在于熟悉Visual Environment 平台对不同种类、 不同工艺参数的焊接进行数值模拟， 希望可以减少实际试验次数，以此来降低焊接的研发费用，创造更大的利润。