Обзор Weld Meshing – инструмента моделирования сварных соединений в Ansys Mechanical

Сварные соединения – это широко используемый метод сборки конструкций, применяемый во многих областях, естественно играющий основополагающую роль в обеспечении надежности и долговечности изделий. При проектировании сварных соединений жизненно важно учитывать требования к нагрузке, метод сварки и усталость среди прочих факторов, дабы не допустить разрушение конструкции во время эксплуатации. Однако анализ таких соединений зачастую затруднен из-за сложностей геометрии и самих сварных швов, что приводит к необходимости использования к примеру, метода конечных элементов (МКЭ), для учета всех нюансов анализа. Моделирование МКЭ - широко используемый и хорошо зарекомендовавший себя метод анализа прочности и долговечности сварных конструкций. Обновления последних релизов Ansys Mechanical привносят ряд полезных функций, облегчающих моделирование таких сварных соединений, значительно сокращая время подготовки проекта к анализу.

Сварные конструкции подвергаются различным условиям нагружения, включая гармонические или случайно изменяющиеся нагрузки, давление в резервуарах и их разгерметизация, шасси автомобиля, подвергающееся ускорению, торможению и ударам на дороге и т.п. При оценке срока службы сварных швов при таких усталостных нагрузках необходимо учитывать процесс сварки, который изменяет свойства основного материала. Быстрое охлаждение сварочного шва может повысить твердость, хотя и снизит пластичность. Примеси во время процесса сварки также могут отрицательно сказаться на прочности отдельных сварных швов. Для точного прогнозирования срока службы необходимо учитывать вышеуказанное и любые остаточные деформации в основном материале после процесса сварки.

Эти факторы можно учитывать при расчете срока службы сварных швов с помощью инструментов прогнозирования усталости. Поскольку прогноз срока службы чувствителен к градиентам напряжений в околошовной зоне, важно, чтобы размер сетки в этой области был подходящим.

Сетка конечных элементов - одна из ключевых особенностей моделирования сварных соединений, определяющая достоверность описания поведения конструкции (ее жесткость), и существенно влияющая на точность прочностного расчета и срока службы швов.

 

Рисунок 1 – Примеры сварных соединений, смоделированных на раме мотоцикла

Существующие методы анализа позволяют смоделировать сварные соединения в виде твердотельных, оболочечных и балочных элементов, в зависимости от которых, требования к сетке будут различаться. В то время как твердотельные элементы используются для моделирования объемных конструкций, изготовленных, например, с помощью процессов литья и ковки, оболочечные и балочные элементы удобны для представления тонкостенных деталей, полученных с помощью операций формования, прокатки или волочения листового металла.

На данный момент методики анализа усталости Ansys, реализованные в nCode DesignLife позволяют оценить сварные швы на твердотельных и оболочечных моделях, именно для упрощения анализа последних и был разработан инструмент "Weld Meshing". Метод анализа долговечности сварных соединений, реализованные в nCode DesignLife, основан на разработке Volvo Car Corporation и Технологического университета Чалмерса. Этот метод был разработан специально для автомобильной отрасли, для деталей, сваренных из тонких стальных листов (обычно 1-3 мм), и большинство промышленных применений этого метода относится к конструкциям этого типа. Однако реализованный подход, имеет довольно широкое применение, в том числе и для анализа по "ASME Boiler & Pressure Vessel Code VIII, Division 2", для более толстых деталей с использованием твердотельных элементов. Более подробную информацию см. в документации Ansys nCode DesignLife.

Важность качества сетки

Структурированная четырёхугольная сетка идеальна в случае анализа таких тонкостенных конструкций. Она подходит для захвата пикового напряжения на границе сварного шва и резкого градиента напряжений вокруг этой области. Но в то время как правильная форма с изменяемым размером ячеек идеально подходит для оценки долговечности сварных швов, требования к анализу безопасности при столкновении другие. Здесь для вычислительной эффективности предпочтительна сетка одинакового размера.

Плохо подобранный размер сетки может увеличить время анализа явного решателя. Как для анализа столкновения, так и для анализа NVH наиболее важным является точное описание жесткости сварного шва. Это важно для точного расчета поглощения энергии конструкцией при динамических ударных нагрузках или свободных колебаниях в модальном и гармоническом анализе.

ANSYS Mechanical имеет явное преимущество, позволяя параметризировать проектирование сварных конструкций. Возможность автоматического перестроения сварных швов при изменении конструкции значительно повышает производительность. Удобство создания сеток с минимальными настройками для столкновений, долговечности и процессов NVH, вместе с бесшовным подключением к Ansys nCode DesignLife для вычисления усталостной долговечности, делает работу пользователя более удобной.

Технология генерации сеток для сложных тонкостенных моделей значительно продвинулась в последних обновлениях и сделала возможным создание структурированных сеток - даже для сложных геометрических форм. В некоторых приложениях характер и градиент деформации имеют определённую направленность, что делает предпочтительными именно структурированные сетки. Структурированные сетки удобны тем, что вы получаете точное, менее зависимое от размера элемента решение, с относительно крупной сеткой по сравнению с неструктурированными сетками. Это особенно полезно при оценке срока службы отдельных сварных швов.

 

Рисунок 2 - Структурированная (слева) и неструктурированная (справа) сетка вблизи сварного шва

 

Ansys Mechanical позволяет пользователям эффективно и автоматизировано создавать, и моделировать точечную сварку и сварные швы. Пользователи могут быстро создавать точечные сварные соединения, вводя зоны швов из систем автоматизированного проектирования (САПР). Это включает в себя возможность контролировать жесткость отдельных сварных швов для точного описания поведения конструкции. Удобные инструменты создания сетки «Weld Meshing» позволяют создавать сварные швы с соответствующими характеристиками сетки шва и в околошовных зонах, которые имеют решающее значение для прогнозирования усталостной долговечности.

Моделирование сварных соединений в Ansys

Ansys предлагает несколько различных автоматизированных способов, которыми пользователь может смоделировать сварные соединения. Два основных метода моделирования подразумевают соединение на уровне геометрии/CAD модели, либо путем создания сеточного соединения.

Первый — это использование CAD или геометрический подход к моделированию швов, представленный на рисунке ниже. Геометрически соединение создается либо вытягиванием грани («Extend»), для удаления зазора между деталями, либо созданием отдельной поверхности сварки, через инструмент «Weld», также, устраняющей зазор для соединения. Оба подхода полезны в зависимости от того, как пользователь хочет смоделировать сварной шов.

 

Рисунок 3 – Создание сварных швов на основе геометрии и сетки в Spaceclaim

 

И второй подход к моделированию сварных швов появился с версии 2019 R3, и в последующих обновлениях получил множество улучшений и дополнительных возможностей. В этом подходе пользователь просто отмечает геометрию, где есть зазоры и где необходим сварной шов, и затем швы будут сгенерированы при построении сетки КЭ.

Иногда, производственный процесс сварки изделий допускает наличие зон вентиляции или прерывистых сварных швов. Сварные соединения на основе сетки поддерживают прерывистый шов, где пользователь может управляет параметрами для пропуска. И также, как и с геометрическими соединениями, для более точного учета поведения конструкции, пользователь устанавливает тип соединения, как вытягивание или шов с катетом и многое другое.

Weld Meshing – создание сварных соединений в Mechanical

Инструмент «Weld Meshing» позволяет прямо в интерфейсе Mechanical создавать тела сварных швов и (или) генерировать слои четырехугольных элементов на околошовных поверхностях, для учета зоны термического влияния (heat affected zone (HAZ)), образованной при нагреве материала свариваемых деталей. Зона термического влияния – область в районе сварного шва, рядом с валиком, подверженная циклическому нагреву и охлаждению, что оказывает влияние на микроструктуру и свойства материала. 

Соединение «Weld Meshing» автоматически создает швы с учетом требований, предъявляемых nCode DesignLife для анализа усталости, таких как использование 4-х угольных элементов и один слой элементов на катет шва.

«Weld Meshing» добавляется на уровне сетки «Mesh» в дереве Mechanical, и может создать шов с катетом (тип соединения «tent»), либо протяжкой ребра до соединения (тип «extension») вдоль свариваемых ребер, либо же разбить уже готовую геометрию сварного шва, созданного в CAD пакете. Тело сварного шва будет доступно в дереве Mechanical в ветке «Geometry», с именем таким же, как и у элемента настройки «Weld». Для каждой кривой сварного шва создается одно соответствующее тело сварки, и также поддерживаются совпадающие швы.

Ниже представлены два основных аспекта подготовки сварного соединения: создание шва на геометрической модели или при генерации сетки и настройка.

 

Рисунок 4 – Создание сварных швов в Mechanical

 

Важное замечание: инструменты для создания сварных швов «Weld Meshing» доступны только при использовании «Batch Connections» - о которых ранее рассказывалось в нашем блоге.

Существует довольно много опций управления сварными соединениями, чтобы подробно их все рассмотреть в данной статье, так что далее будет представлено только краткое описание основных параметров и используемых обозначений. Настройка сварного соединения позволяет создать сварной шов, к примеру, с учетом прерывистой сварки, катета и материала шва, зоны термического влияния и т.д., дополнительные сведения см. в документации Ansys.

 

Рисунок 5 – Основные параметры и обозначения для сплошного шва

Рисунок 6 – Основные параметры и обозначения для прерывистого шва

Рисунок 7 – Окно настроек создания сварного соединения

 

После создания сварных швов, их можно наглядно отобразить в графическом окне для проверки возможных ошибок при генерации модели или построении сетки. Синим цветом выделяются успешно созданные швы без ошибок, желтым - с предупреждениями, красным – возникновение ошибок при создании шва. 

 

Рисунок 8 – Цветовое обозначение сварных соединений в зависимости от статуса

 

Дополнительно, используя окно рабочего листа «Worksheet», пользователь может более детально просмотреть параметры всех созданных сварных швов.

Замечания и ограничения по использованию «Weld Meshing»

• Инструменты для создания сварных швов доступны только при использовании «Batch Connections».
• Сварной шов, созданный сеткой, заполняет зазор между соединяемыми телами, если не активна опция регулировки высоты.
• Управление сваркой не поддерживает опцию «Connect and Mesh Selected Entities.
• Суммарная длина всех поверхностей катета шва «tent» и общая длина всех соответствующих вытянутых швов «extension» должны быть одинаковыми для одного соединения.
• Опция «Weld» переопределяет все другие параметры размеров и локальных настроек сетки.
• Параметр выбора для кривой «Weld Curve» не поддерживает несколько тел.
• Ребра CAD, выбранные для сварного шва или указанные в одной строке листа «Worksheet» должны быть непрерывными.
• Сварка пересекающихся деталей не поддерживается.
• «Weld Meshing» не поддерживает треугольную сетку.
• «Weld Worksheet» позволяет импортировать файлы только в формате CSV.
• Настройка сварного соединения не поддерживает запись файла сварки для нескольких ребер или замкнутого контура.
• Если отношение размера сетки к зазору между верхней и нижней поверхностями, подлежащими сварке, велико (> 5), то создание сетки может привести к ошибкам при создании сварных швов. В таких случаях уменьшите допуск соединения на неисправных элементах управления создания сварных швов.

Заключение

Рассмотренный инструмент «Weld Meshing» позволяет создать модель сварного шва с учетом ряда особенностей, как катет шва, зона термического влияния и т.д. оказывающих значительное влияние на работоспособность конструкции. Конечно реальный сварной шов представляет собой намного более сложный объект, который детально, с учетом всех процессов можно и нужно моделировать только в исследовательских целях на небольших моделях. Для расчета же сложных, многодетальных конструкций требуются более легкодоступные автоматизированные инструменты, как например «Weld Meshing», с помощью которого стоится упрощенная модель сварного шва. На основе которой уже можно достоверно оценить усталостную прочность соединения по специально разработанным, зарекомендовавшим себя методикам, интегрированным в nCode DesignLife.

 

В обзоре использованы материалы из статьи «How to Mesh and Simulate Welds with Ansys Mechanical»