朱玉斌 于如信

（江蘇師范大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

0 引言

在當(dāng)今制造工藝中， 焊接是相當(dāng)重要的金屬連接方法[1]。 如今的焊接工藝更是無(wú)處不在，大到造船業(yè)，小到電子芯片， 焊接技術(shù)都在其中發(fā)揮重要的性能。對(duì)于消除安全生產(chǎn)中的隱患， 焊接模擬起到了無(wú)法替代的影響[2]。 企業(yè)也更加希望利用焊接仿真模擬軟件對(duì)焊接生產(chǎn)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行有效模擬， 從而替代大量的試驗(yàn)，節(jié)省成本。

焊接有限元軟件實(shí)際上是將微分方程利用在焊接領(lǐng)域的工具， 將影響焊接過(guò)程的因素轉(zhuǎn)化為變量，建立符合焊接過(guò)程的微分方程， 并將實(shí)際條件作為初始值進(jìn)行求解。 使用軟件進(jìn)行焊接模擬， 類似于使用一個(gè)"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(shí)驗(yàn)條件輸入到軟件中， 就可以通過(guò)計(jì)算得到某時(shí)刻某節(jié)點(diǎn)的溫度等各種參數(shù)。而軟件的安裝與破解在windows 操作系統(tǒng)上是一個(gè)難題。 有些電腦只需要進(jìn)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(tǒng)的復(fù)雜性與不穩(wěn)定性， 破解軟件則成了一個(gè)相當(dāng)棘手的問(wèn)題。

焊接模擬軟件主要是用來(lái)模擬焊接過(guò)程， 從而根據(jù)模擬得到的各種溫度場(chǎng)、 應(yīng)力場(chǎng)等結(jié)果， 進(jìn)一步將焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化， 最終預(yù)測(cè)經(jīng)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(duì)大型焊接鋼板節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬分析； 同樣， 馬小明[4]也利用軟件模擬焊接殘余應(yīng)力的分布，只不過(guò)其是對(duì)基于帶狀移動(dòng)熱源的J 形坡口進(jìn)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(chǎng)變化， 只不過(guò)一個(gè)是針對(duì)車燈面罩熱板的焊接進(jìn)行的溫度場(chǎng)模擬， 另一個(gè)則是模擬鋁鋼薄板的溫度場(chǎng)變化。因此， 焊接模擬軟件可以模擬焊接過(guò)程的不同方面，如溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及變形等；不僅如此，軟件還可以對(duì)不同的焊接對(duì)象進(jìn)行模擬，如管道結(jié)構(gòu)、車燈面罩等，由此可見(jiàn)焊接數(shù)值模擬的適用范圍廣泛。

1 焊接模擬軟件選擇

隨著整個(gè)社會(huì)的進(jìn)步， 計(jì)算機(jī)的硬件算力越來(lái)越強(qiáng)大。 隨之而來(lái)的是，出現(xiàn)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(guó)ESI 公司開(kāi)發(fā)的有限元軟件Sysweld， 則是針對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行開(kāi)發(fā)，這就克服了上述問(wèn)題。

工藝向?qū)荢ysweld 有限元軟件所獨(dú)有的技術(shù)，使得用戶可以十分方便地完成關(guān)于焊接模擬的一系列設(shè)置。 Sysweld 軟件包含先進(jìn)的求解器模塊及人性化的工藝向?qū)?，整個(gè)復(fù)雜的焊接過(guò)程可在Sysweld 軟件進(jìn)行獨(dú)立仿真模擬。 此軟件的弊端也在于此， 其包含內(nèi)容夠廣泛，但操作不夠簡(jiǎn)潔，界面設(shè)計(jì)不夠友好。

Visual Environment 軟件則在繼承Sysweld 軟件優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，克服了其缺點(diǎn)。 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(jìn) 行 網(wǎng)格的劃分和分組；Visual Weld 軟件相當(dāng)于Sysweld 軟件的工藝向?qū)В?指導(dǎo)用戶一步一步完成復(fù)雜的焊接過(guò)程；Visual Viewer 軟件則是后處理軟件， 對(duì)于焊接結(jié)果進(jìn)行查看及進(jìn)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(jìn)行焊接模擬的基礎(chǔ)，Sysweld 安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，而且網(wǎng)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(diǎn)：

第一點(diǎn)， 在安裝Sysweld 軟件過(guò)程中， 不需重啟電腦，尤其是安裝EXCEED14 時(shí)，不需要根據(jù)提示進(jìn)行重啟電腦， 是因?yàn)榘惭bSysweld 的最后一步， 即配置lmtools 時(shí)，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(diǎn)擊Stop Server 及Start Server，這樣關(guān)閉再開(kāi)啟服務(wù)驗(yàn)證可以代替電腦重啟。 第二點(diǎn)是許可證文件一定要進(jìn)行修改，需要將許可證中添加所安裝電腦的計(jì)算機(jī)名。 當(dāng)Sysweld 軟件安裝完成后，會(huì)在電腦C 盤自動(dòng)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(chǔ)上。 Visual Environment 的軟件安裝很簡(jiǎn)單,但是其破解方法相當(dāng)復(fù)雜，網(wǎng)上資料殘缺不全，而且破解步驟不是很詳細(xì)， 所以在此將破解方法依次羅列出來(lái)。 破解共四個(gè)步驟：

首先將破解文件粘貼到安裝目錄（這一步最簡(jiǎn)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(nèi)容復(fù)制到Sysweld 的許可證文件內(nèi)容尾端；

復(fù)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(nèi)）

最后改變系統(tǒng)環(huán)境變量： 將安裝Sysweld 軟件時(shí)新建的環(huán)境變量PAM_LMD_LICENSE_FILE 進(jìn)行編輯，將其變量值增加一項(xiàng)， 增加的內(nèi)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(hào)隔開(kāi)。

3 利用Visual Environment 進(jìn)行焊接模擬的步驟

3.1 網(wǎng)格模型建立及分組定義

試驗(yàn)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(shù)目都是兩道。

圖2 V 形坡口焊道布置示意圖

網(wǎng)格的劃分質(zhì)量對(duì)于焊接模擬結(jié)果有著相當(dāng)重要的作用。 由于焊縫附近的區(qū)域溫度場(chǎng)梯度較大， 所以網(wǎng)格相對(duì)密集一些。 距離熱源模型較遠(yuǎn)的試板兩端的網(wǎng)格可以相對(duì)稀疏些。 此種網(wǎng)格劃分方法相對(duì)合理，焊縫區(qū)域密集的網(wǎng)格提高了模擬的精確度， 而試板兩端的相對(duì)稀疏的網(wǎng)格可以保證較短的計(jì)算時(shí)長(zhǎng)。 最終焊接部件的網(wǎng)格模型如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)格模型示意圖

當(dāng)網(wǎng)格模型建立成功后， 接下來(lái)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(jìn)行。

3.2 設(shè)置前處理?xiàng)l件

設(shè)置前處理?xiàng)l件， 就是設(shè)置實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)中的工藝參數(shù)。 焊接試驗(yàn)采用的是型號(hào)為WSE-315 的逆變交直流氬弧焊機(jī)， 試驗(yàn)電流在180A 上下浮動(dòng)， 電壓在30V 上下浮動(dòng)。 根據(jù)陳伯蠡[7]總結(jié)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(jì)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(shù)。

3.3 設(shè)置夾持條件

在夾持條件選擇框內(nèi)(Clamping Condition)，選擇之前設(shè)置好的夾持點(diǎn)，如圖4 所示，然后設(shè)置夾持的開(kāi)始時(shí)間及結(jié)束時(shí)間。 在試驗(yàn)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(jìn)行焊接固定， 目的是讓焊件在焊接過(guò)程中保持較小的變形，焊點(diǎn)如圖4(a)所示。 必須將上述的焊接固定當(dāng)做整個(gè)焊接過(guò)程中的夾持條件， 并在網(wǎng)格劃分中表現(xiàn)出來(lái)，如圖4(b)所示，在之前劃分的網(wǎng)格中，將相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)（圖中的紅色節(jié)點(diǎn)）設(shè)置為固定夾持點(diǎn)。

圖4 焊接工件的固定方法

4 總結(jié)

相較于其它有限元軟件，Visual Environment 軟件是專門進(jìn)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(jù)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行工藝向?qū)У脑O(shè)置，對(duì)多層多道焊進(jìn)行模擬。 模擬結(jié)束后， 可以利用Visual Viewer 軟件查看焊接后續(xù)結(jié)果， 溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的變化過(guò)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(tái)對(duì)不同種類、 不同工藝參數(shù)的焊接進(jìn)行數(shù)值模擬， 希望可以減少實(shí)際試驗(yàn)次數(shù)，以此來(lái)降低焊接的研發(fā)費(fèi)用，創(chuàng)造更大的利潤(rùn)。