基于ANSYS二次開(kāi)發(fā)的焊接溫度場(chǎng)前處理系統(tǒng)

胡繩蓀，蔣秀曄，申俊琦，朱麗娜

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

基于ANSYS二次開(kāi)發(fā)的焊接溫度場(chǎng)前處理系統(tǒng)

胡繩蓀1,2，蔣秀曄1,2，申俊琦1,2，朱麗娜1,2

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

要：針對(duì)大型應(yīng)用軟件ANSYS在進(jìn)行有限元分析時(shí)存在重復(fù)建模缺點(diǎn)，基于VC與ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL，對(duì)有限元前處理部分進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編制出了管道焊接結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的前處理系統(tǒng)．該系統(tǒng)封裝了多種管道焊接結(jié)構(gòu)建模以及不同焊接工藝的溫度場(chǎng)分析過(guò)程的參數(shù)化命令流模板．通過(guò)友好直觀的程序界面的操作，即可實(shí)現(xiàn)多種管道焊接結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模、溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，從而提高了計(jì)算效率，保證了計(jì)算精度．并通過(guò)管道多層多道定位焊實(shí)例驗(yàn)證了該前處理系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可用性．

ANSYS二次開(kāi)發(fā)；溫度場(chǎng)數(shù)值模擬；前處理系統(tǒng)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地下管道已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)生活的大動(dòng)脈，不僅應(yīng)用在水、油、氣(汽)、煤的輸送，還應(yīng)用在通信、供電、交通和排水等方面．焊接作為管道結(jié)構(gòu)的重要連接技術(shù)，在管道結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中發(fā)揮著重要作用．為保證結(jié)構(gòu)的尺寸要求及焊接接頭的質(zhì)量，需要通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)準(zhǔn)確模擬實(shí)際焊接過(guò)程中焊接構(gòu)件的殘余應(yīng)力和變形[1-3].傳統(tǒng)數(shù)值模擬技術(shù)在高校及科研機(jī)構(gòu)發(fā)展較為成熟，但由于操作復(fù)雜、難以掌握、對(duì)使用人員的專業(yè)性要求較高、焊接模擬分析時(shí)重復(fù)性差等特點(diǎn)，在工業(yè)工程中難以推廣[4-6]．為了解決以上問(wèn)題，一些企業(yè)和研究院所開(kāi)展了關(guān)于ANSYS二次開(kāi)發(fā)的研究．其二次開(kāi)發(fā)主要依賴于ANSYS提供的參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL[7-10]，不僅可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化分析，還可以根據(jù)需要改變程序以滿足特定的設(shè)計(jì)和分析．此外，焊接結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)、變形及殘余應(yīng)力分析的技術(shù)路線已經(jīng)相對(duì)比較成熟，可以形成較專業(yè)的分析模塊．基于以上研究現(xiàn)狀，筆者通過(guò)研究參數(shù)化的分析過(guò)程，并運(yùn)用VC和ANSYS二次開(kāi)發(fā)工具APDL建立管道焊接結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的專業(yè)前處理分析系統(tǒng)．通過(guò)友好的菜單操作，實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)焊接結(jié)構(gòu)的建模、熱分析過(guò)程．

1 前處理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該前處理系統(tǒng)采用了可視化編程和結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)方法，主要包括兩大模塊：計(jì)算模塊和界面交互模塊．計(jì)算模塊是保證系統(tǒng)精度的核心，包括各種焊接結(jié)構(gòu)的APDL命令流模板文件；界面交互模塊利用了VC對(duì)ANSYS前處理功能進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，生成可視化界面，包括幾何建模、網(wǎng)格劃分、材料性能、焊接參數(shù)和提交數(shù)據(jù)5大功能界面，如圖1所示.

圖1 前處理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意Fig.1 Layout of pretreatment system

該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境包括：基于Visual C++6.0和ANSYS12.1的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)以及基于Microsoft Access2.3的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)．

1.1 界面交互模塊

界面交互模塊負(fù)責(zé)搜索計(jì)算模塊中的匹配命令流模板，并將接收到的參數(shù)化建模尺寸參數(shù)、熱分析參數(shù)填寫(xiě)在模板中的相應(yīng)位置．此外，通過(guò)VC調(diào)用ANSYS，將新生成的建模命令流傳遞到ANSYS進(jìn)程中，從而完成自動(dòng)建模和焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬．

為了滿足對(duì)不同管道焊接結(jié)構(gòu)模型的有限元分析，該前處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種焊接結(jié)構(gòu)，包括平板對(duì)接、管對(duì)接、管道法蘭接頭等結(jié)構(gòu)．并對(duì)不同的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)了多種坡口形式的焊接參數(shù)的選擇，包括I、V、X．此外，該用戶界面具有參數(shù)修改和保存、圖形顯示等功能，如圖2(a)所示．在保證計(jì)算精度的同時(shí)盡量降低計(jì)算時(shí)間，本系統(tǒng)采用過(guò)渡網(wǎng)格劃分形式，如圖2(b)所示．通過(guò)調(diào)用ANSYS進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分，將模型圖片顯示在ANSYS計(jì)算界面中．用戶通過(guò)觀察網(wǎng)格劃分的疏密，調(diào)整參數(shù)設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)重復(fù)建模．

在焊接過(guò)程中，涉及到不同母材、焊縫等不同焊接材料的多種性能，而且焊接材料的性能是一個(gè)與溫度有關(guān)的參數(shù)，故其參數(shù)量較大．為此，材料性能界面建立隨溫度變化的動(dòng)態(tài)材料庫(kù)，可以對(duì)其進(jìn)行增刪查改功能，如圖2(c)所示．為了直觀地反映材料性能隨溫度的變化情況，增加了函數(shù)曲線繪制功能．

由于熱源模型在溫度場(chǎng)數(shù)值模擬時(shí)起著重要的作用，通過(guò)對(duì)常用焊接溫度場(chǎng)熱源模型的研究，該系統(tǒng)選取了高斯熱源和雙橢球熱源2種熱源形式，如圖2(d)所示．高斯熱源形式適用于二維溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，雙橢球體常作為體熱源應(yīng)用于三維溫度場(chǎng)數(shù)值模擬．

為了準(zhǔn)確進(jìn)行不同焊接工藝的有限元分析，焊接工藝參數(shù)模塊考慮了多層多道的焊接參數(shù)，并利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)建立了相應(yīng)的焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2(e)所示．由于定位焊和焊接順序?qū)附討?yīng)力變形的影響很大，所以該模塊還考慮了定位焊的個(gè)數(shù)、冷卻時(shí)間、定位焊的長(zhǎng)度、不同焊接結(jié)構(gòu)的焊接順序，如圖2(f)所示．

1.2 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊是參數(shù)化命令流模板的集合，負(fù)責(zé)向系統(tǒng)提供命令流模板，包括管對(duì)接、平板對(duì)接、管道法蘭焊接的參數(shù)化建模命令流模板、熱分析命令流模板．它是保證系統(tǒng)精度的核心，直接影響著系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及普遍使用性．參數(shù)化程度越高，準(zhǔn)確性、普遍使用性也相應(yīng)提高；模板的算法越貼近實(shí)際，準(zhǔn)確性越高．管道焊接結(jié)構(gòu)有限元分析APDL命令流文件是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證核實(shí)的可靠文件，可以保證其準(zhǔn)確性的要求．

計(jì)算模塊運(yùn)用了多種模擬技巧，除考慮材料的熱物理性能、過(guò)渡網(wǎng)格劃分方式、不同的熱源形式以及常用的生死單元技術(shù)，還根據(jù)實(shí)際焊接經(jīng)驗(yàn)增加了一些技巧．例如，增大熔池金屬處單元的導(dǎo)熱系數(shù)，模擬焊接過(guò)程中熔滴對(duì)熔池的沖刷作用，在模擬過(guò)程中考慮定位焊的工藝，以貼合實(shí)際．

圖2 典型界面模塊Fig.2 Typical interface modules

2 接口技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 VC與ANSYS接口技術(shù)

VC與ANSYS的接口技術(shù)，主要通過(guò)Create Process函數(shù)創(chuàng)建進(jìn)程去實(shí)現(xiàn)ANSYS的調(diào)用過(guò)程．程序啟動(dòng)后，系統(tǒng)調(diào)用CreateProcess創(chuàng)建管理進(jìn)程的內(nèi)核對(duì)象，將系統(tǒng)的程序的代碼和界面輸入的數(shù)據(jù)加載到新開(kāi)辟的虛擬地址空間，從而成功創(chuàng)建新進(jìn)程和主線程．lpApplicationName和lpzCommand Line參數(shù)是命令行字符串．通過(guò)該字符串可設(shè)置待打開(kāi)的可執(zhí)行文件名和傳遞給新進(jìn)程的命令行．當(dāng)系統(tǒng)找到可執(zhí)行文件后將界面數(shù)據(jù)賦值給計(jì)算模塊的APDL命令流模板，并將賦值后的可執(zhí)行文件的代碼和數(shù)據(jù)映射到新進(jìn)程的地址空間中，生成新進(jìn)程的命令行，從而調(diào)用ANSYS讀取命令行進(jìn)行數(shù)值模擬．圖3所示為CreateProcess函數(shù)進(jìn)程控制界面數(shù)據(jù)傳遞以及ANSYS的計(jì)算分析過(guò)程．

圖3 CreateProcess進(jìn)程控制示意Fig.3Block diagram of process control by CreateProcess function

在調(diào)用ANSYS時(shí)，通過(guò)命令行字符串實(shí)現(xiàn)與它的控制和通信．ANSYS識(shí)別的命令字符有：-b批處理方式，-g圖形交互方式，-dir設(shè)置工作目錄，-i輸入文件的全路徑和名稱，-o指定輸出文件的全路徑和名稱．

2.2 VC與Access接口技術(shù)

軟件中使用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)材料的物理性能、多層多道焊的焊接工藝參數(shù)．針對(duì)材料庫(kù)中每種物理性能建立一個(gè)表，每個(gè)表中包含材料編號(hào)、溫度、性能值3字段．此外，還建立了索引表，包含材料名稱和材料編號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示．

表1 材料庫(kù)索引Tab.1 Index of material database

程序中使用ADO方式操作Access數(shù)據(jù)庫(kù)．VC與Access的連接方法如下：引入msado15.dll的動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，創(chuàng)建ADO智能指針，初始化COM環(huán)境，連接數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)表的增刪改查，釋放相應(yīng)資源．

3 溫度場(chǎng)數(shù)值模擬實(shí)例驗(yàn)證

3.1 實(shí)例概況

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及可用性，以X形坡口的管道對(duì)接焊為例，管道長(zhǎng)為150,mm，外徑為150,mm，壁厚為12,mm．為了保證溫度場(chǎng)的計(jì)算精度和計(jì)算速度，單元類(lèi)型選用節(jié)點(diǎn)數(shù)較少的八節(jié)點(diǎn)單元，選取焊縫區(qū)與母材區(qū)之比為1∶9的大模型過(guò)渡網(wǎng)格劃分方式．本例所采用的材料為Q345，從材料性能模塊的材料庫(kù)中調(diào)用．管道焊接熱源模型選用雙橢球熱源，熱源尺寸參數(shù)根據(jù)焊縫的熔合線初步選取[11-12]．本例采用多層多道定位焊，焊接層數(shù)及道數(shù)如圖4所示，焊接工藝條件及參數(shù)如圖2(e)和圖2(f)所示．

3.2 模擬結(jié)果及驗(yàn)證分析

將管道對(duì)接焊的幾何尺寸參數(shù)、材料熱物理性能和焊接工藝參數(shù)等輸入該前處理系統(tǒng)界面中，系統(tǒng)通過(guò)給命令流模板賦值生成可執(zhí)行的命令流文件，并調(diào)用ANSYS進(jìn)行后臺(tái)計(jì)算．計(jì)算完畢后，通過(guò)ANSYS的后處理程序查看其計(jì)算結(jié)果．圖5為管道網(wǎng)格劃分模型，圖6為管道外表面最后一道焊縫的溫度場(chǎng)云圖．從圖6可以看出，熔池處的最高溫度為1,671,℃，溫度場(chǎng)的形貌為一個(gè)橢圓狀．焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)基本上屬于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)，整個(gè)過(guò)程溫度場(chǎng)變化也比較符合實(shí)際焊接變化情況．

圖4 X型坡口多層多道焊示意Fig.4Schematic plot of multi-layer and multi-pass welding of X groove

圖5 管道網(wǎng)格劃分模型Fig.5 Pipe grid partition model

圖6 溫度場(chǎng)云圖Fig.6 Nephogram of temperature field

進(jìn)一步分析驗(yàn)證該溫度場(chǎng)的合理性，通過(guò)POST1繪制了節(jié)點(diǎn)A、B的全過(guò)程熱循環(huán)曲線，并運(yùn)用POST26繪制了垂直焊縫方向的溫度分布曲線．如圖7所示，直線L1為管道外徑上垂直于焊縫的路徑線段，點(diǎn)A為管道內(nèi)徑上第一道焊縫處的節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)B為管道外徑上最后一道焊縫處的節(jié)點(diǎn)．

圖8為最后一道焊時(shí)垂直焊縫方向的溫度分布，溫度最高點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置是最后一道焊縫的熱源中心，熱源中心溫度為1,671,℃；在距熱源中心3,mm的范圍內(nèi)的焊縫溫度在1,450,℃以上，處于熔化狀態(tài)，這與所定義的熱源尺寸寬度相吻合；在前7.9,mm內(nèi)溫度下降很快，溫度梯度很大；在7.9,mm以后，溫度下降緩慢，維持在240,℃以下．由此可知，該曲線與文獻(xiàn)[13-15]中所標(biāo)注的軸向溫度距離曲線的趨勢(shì)基本保持一致．

圖7 路徑和節(jié)點(diǎn)示意Fig.7 Schematic plot of paths and nodes

圖8 垂直焊縫方向的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of vertical weld direction

由圖9(a)可知，該曲線是典型的多層多道焊熱循環(huán)曲線．點(diǎn)A所處焊道為第1層第1道，最高峰之后的3個(gè)小峰即由于后焊的3道對(duì)點(diǎn)A的熱作用而產(chǎn)生．點(diǎn)B所處焊道為最后1層最后1道，對(duì)比圖9(a)和圖9(b)中2條曲線的時(shí)間軸可知，點(diǎn)B所對(duì)應(yīng)的時(shí)間正好是點(diǎn)A最后1個(gè)小峰所在位置，兩者相吻合，并且與本例中設(shè)置的X型3層4道焊的焊接工藝保持了高度一致性．

圖9 點(diǎn)A和點(diǎn)B全過(guò)程熱循環(huán)曲線Fig.9 Thermal cycling curves of points A and B during whole welding process

4 結(jié) 論

(1) 基于VC強(qiáng)大的界面交互功能，該前處理系統(tǒng)界面友好、交互性強(qiáng)，降低了對(duì)分析者的要求，便于操作和分析．此外，VC強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)連接功能，便于后續(xù)焊接工藝參數(shù)、材料庫(kù)等大量數(shù)據(jù)的保存和分析．并且，運(yùn)用其中的CreateProcess函數(shù)的進(jìn)程控制可以實(shí)現(xiàn)VC與ANSYS的調(diào)用過(guò)程．

(2) 該前處理系統(tǒng)采用參數(shù)化建模和參數(shù)化分析的方法，通過(guò)ANSYS的APDL語(yǔ)言建立不同焊接結(jié)構(gòu)和工藝的管道焊接溫度場(chǎng)的命令流文件，將命令流文件中的參數(shù)變量化，建立相應(yīng)的模板文件庫(kù)．該模板文件庫(kù)都是通過(guò)工程實(shí)踐驗(yàn)證的命令流文件，從而保證了計(jì)算的可用性和準(zhǔn)確性．

(3) X型管道多層多道焊溫度模擬的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該前處理系統(tǒng)模擬結(jié)果符合多層多道焊的實(shí)際情況．

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Pretreatment System of Welding Temperature Field Based on Secondary Development of ANSYS

Hu Shengsun1,2，Jiang Xiuye1,2，Shen Junqi1,2，Zhu Lina1,2
(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

When carrying out numerical analysis by large application software ANSYS，the programs usually need to be reworked or modified if the working conditions have changed. In order to solve the problem，a friendly pretreatment system of finite element，based on the VC platform and APDL language，was built by the secondary development of ANSYS. The pretreatment system was used to simulate the temperature field in pipelines，which encapsulated the modeling process of many different kinds of pipe joint forms，as well as parameterized command flow templates of temperature field simulation with different welding processes. Through friendly and intuitive interface operation，parameterized modeling and temperature field simulation of various welded structures can be accomplished，thus improving the computational efficiency and ensuring the calculation precision. The analytical methods turns out to be accurate and reliable as compared with the experimental results of multi-layer and multi-pass butt-welded pipes for positioning welding.

secondary development of ANSYS；temperature field numerical simulation；pretreatment system

TG456.7

A

0493-2137(2013)11-1039-06

DOI 10.11784/tdxb20131115

2012-04-19；

2012-08-15.

胡繩蓀（1956— ），男，教授，huss@tju.edu.cn.

申俊琦，shenjunqi@tju.edu.cn.