Возможности simufact.welding для моделирования процессов...

Возможности Simufact.welding для

моделирования процессов лазерной и дуговой сварки

А.Е. Салиенко, Р.В. Цвелёв

ОАО “Тяжмаш”, Сызрань

Copyright © simufact engineering gmbh

Задача:• Новый инновационный и

удобный инструмент для моделирования сварки

• Приближенный к реальному производству

• Открытая концепция• Поддержка лучших

решателей (MSC.Marc и Weldsim)

OEM-рабочая группа

моделирования сваркизаказ

2005 2010 2012 2013

Simufact.welding 2.5

11/2010

Simufact.welding 3.1

07/2012

доступно для всех отраслей промышленности

Simufact.welding 3.1.1

Simufact.welding: История


Проектирование виртуального процесса сварки

Моделирование процессов и

дальнейший механический анализ

Распределение температуры в компонентах и

теплообмен в прижимах

Прогноз сварочных деформаций,

остаточные напряжения во время сварки и

после убирания оснастки

Моделирование локальный свойств материала

(напр. кривые текучести и фазовые превращения)

Графическое представление и

экспорт точек слежения

Simufact.welding ориентирован на

специалистов по сварке для целей

исследований и разработки

производства. Нет необходимости быть

специалистом по компьютерным

автоматизированным методам расчетов.

Simufact.welding: Возможности


Simufact.welding

Simufact.welding: цель использования

Моделирова-

ние процесса

Структурное

модели-

рование

Модели-

рование

материала

Модели-

рование

сварки

nach: Radaj 2002

нагрузки микроструктуры

Изменение мех.

параметров растяжения

материала

Геометрия сварочной ванны

Локальное температурное поле

Эффективность процесса

Стабильность процесса

Структурное

температурное поле

Остаточные напряжения

Прочность конструкции

Деформации

Например

TMweld

Ин

терф

ей

сы

Фазовые превращения

Состав сплава

Части фаз

Размер зерна

Твердость


Распределение температуры в компонентах и теплообмен в зажимных

инструментах

Прогноз деформаций во время и после прижима и прогнозирование

остаточных сварочных напряжений

Simufact.welding: расчёт коробления


Быстрые изменения процесса с использованием функции копирования

Например, минимизация деформаций за счет изменения условий прижима

Simufact.welding: расчёт коробления


F ?

F ?

F ?

F ?

Зазор ?

Автоматическое моделирование реально возможного образования зазора в

процессе сварки за счет качественного разрешения контакта между

компонентам

Simufact.welding: учёт зазоров


Моделирование локальных свойств материала, например, изменяемые

напряжения течения фазовых фракций

Simufact.welding: свойства материала


Геометрия и КЭ сетки

Предсказание локальных свойств

материала

Траектории сварки и свойства

материала швов

Механические и тепловые

граничные условия

Моделирование источника

нагрева

Обработка результатов

Управление временем процессов

Simufact.welding: алгоритм работы


Легкое определение траекторий сварки путем выбора узлов сетки

или импорта из CSV-файла с координатами траектории

Автоматическая генерация КЭ-сетки для шва

Траектория сварки и материалашва


Жесткость C:

Автоматическое определение

направления перпендикулярно к

контактной поверхности

Контакт между компонентами и

сварными швамиКонтакты между компонентами и

инструментами:

Начальная сила F:

Автоматическое определение

направления перпендикулярно к

контактной поверхности

Автоматическая генерация прижимных геометрий

Регулируемое время снятия зажима

Механические граничные условия


Передача тепла через поверхность

контакта и коэффициент

теплопередачи

QCHT = α A (T1 - T2)

Коэффициент эмиссии ε:

Уравнение Стефана-Больцмана:

(0 ≤ ε ≤ 1)

QE = -ε A (T14 - T2

4)

Начальная

температура

заготовки

Конвекция:

Qc = -h A (T1 - T2)

Автоматическое обнаружение свободных поверхностей

для рассеивания тепла

Определение теплового потока на контактных поверхностях

Переменная начальная температура для подогретых заготовок

Предварительно заданные значения по умолчанию

Тепловые граничные условия


Источник тепла

Simufact.welding поддерживает в настоящее время два

различных вида источников тепла:

3D-Goldak источник тепла (Гауссова объемная модель) для

дуговой сварки, таких как

Дуговая сварка плавящимся электродом (MIG, MAG)

Дуговая сварка неплавящимся электродом в среде инертного

газа (TIG)

Дуговая сварка под флюсом (UP)



Simufact.welding поддерживает в настоящее время два

различных вида источников тепла:

Цилиндрический источник тепла связанный с

Гауссовым распределение для

Лазерной сварки

Электронно-лучевая сварка



Для получения реалистичных результатов требуется

калибровка виртуальных источников тепла

Калибровка в Simufact.welding происходит на основе

быстрого, чисто теплового расчёта, а моделируемые сечения

швов согласовываются с реальными шлифами

Специальный "Сварочный монитор" позволяет выполнять

калибровку вдоль всего сварного шва


Контактная (точечная) сварка

Проводимость может быть определена между электродами и компонентами, а

также между компонентами

Проводимость может быть определена как постоянное значение или таблично в

зависимости от температуры

Уравнение Bay-Wanheim также может применяться для автоматического расчета

Сопротивление отключается после достижения склеенного контакта

16


Активный процесс будет рассчитана за шесть этапов в зависимости

от сварочного робота, геометрии и т.д.

Для ограниченного количества сварных точек будут выполнены эти

шесть шагов, чтобы имитировать процесс контактной сварки и

создать место сварного соединения.

17.09.2015

17

Шаг 1: Нижний электрод перемещается к контрольной точке и может

войти в контакт с нижним листом.



Шаг 2: Закрытие верхнего электрода.

Шаг 3: Активация силы зажима на верхнем электроде. Нижний

электрод фиксируется. Это замыкает электрическую цепь.

17.09.2015

18



Шаг 4: Активация электрического тока с постоянной силой

зажима. Нижний электрод фиксируется.

17.09.2015

19



Шаг 5: Отключение электрического тока. Сила зажима еще активирована.

20



Шаг 6: Удаление сварочного пистолета

Можно моделировать тест на приложение нагрузки после

окончания процесса моделирования сварки

21



• Калибровка в Simufact.welding происходит на основе быстрого, чисто теплового рачёта, а моделируемые сечения швов согласовываются с реальными шлифами

Сварочный монитор


Austenite

während

Schweißen

Martensit

nach

Abkühlen

Simufact.welding включает модули simufact.premap (модель Nancy )

Интерфейс к JMatPro и т.д.

Аустенит во

время

сварки

Мартенсит

после

охлаждения

Моделирование поведение материала


Сварочный процесс с последующим нагружением /

пластические деформации выступают в качестве индикатора разрушения

Самый высокий

уровень накопленных

пластических

деформаций в сварном

шве рядом с

формующим

инструментом

Распределение температур при сварке

Пластические деформации при сварке

Пластические деформации при нагружении

Трехопорное испытание на изгиб


Остаточные напряжения после сварки

Без результатов формования С результатами формования

Увеличение деформаций крышки

на противоположном крае

Накопленные пластические деформации после сварки

• После сварки элемент сильно пластически сдеформирован с высокими

остаточными напряжениями, влияющими на распределение напряжений и

деформацию во время и после сварки

Расчетное без результов формования

Расчетное с результатами формования

Глубокая вытяжка и сварка


Использование сварочных деформаций в моделировании формовки

Модель: формование сварной заготовки

Накопленные пластические деформации

после формования

Распределение температур при сварке

Пластические деформации при сварке

Сварка и глубокая вытяжка


Считается, что достоверное определение остаточных напряжений,

является доказательством качества анализа сварного шва

Международный тест Round Robin (IIW) используется в качестве

ссылочного примера (German standart DIN SPEC 32534-1: Numerical welding simulation — Execution and documentation)

2-проходная TIG сварка

материал 316LNSPH / 316L

напряжение 9 V

ток 155 A

Скорость

сварки

40,2 mm/min

Угловые деформации

замерено: 0.033°

смоделировано: 0.032°

Оценка качества расчёта


Сравнение поведение деформаций при разных процессах сварки

Однопроходная сварка под флюсом без предварительного подогрева

5-ти проходная дуговая сварка в среде защитного газа с предварительным подогревом 150°C

Пример: многопроходная сварка


Распределение температур Распределение напряжений

Пример: многопроходная сварка

Сварка толстых пластин с > 50 проходами


Моделирование сварки может быть удобным для пользователя.

Simufact.welding предлагает:

a.) автоматизацию перестроения сетки

b.) использование несовместимых сеток

c.) предлагает генератор сеток сварного шва

d.) быстрый метод для задания траекторий сварки

и ориентацию процесса

e.) модели источника тепла и интерфейсы для

процесса моделирования

f.) моделирование прижимных инструментов

Быстрая виртуальная оптимизация условий зажима, возможно

локальное соединение

Соединение simufact.welding и simufact.premap позволяет

прогнозировать фазовые превращения во время и после сварки

Соедиене simufact.welding и simufact.forming позволяет

моделировать сложные процессы

Заключение


Simufact.welding

Сварка

Компьютерное

моделирование

сварки

Минимизация коробления и остаточных

напряжений

Определение оптимальной

последовательности сварочных операций

Разработка наилучшей схемы фиксации

Определение окончательной формы изделия

с высокой точностью

Прогнозирование микроструктуры материала

в околошовной зоне

Исключение образования горячих трещин

Прогнозирование последствий термического

воздействия

на свойства сварных швов

Оценка прочности сварного соединения


Типовые проблемы сварочного производства

Выдача разработанных технологических процессов в цеха без их полноценной отработки, в том числе по режимам сварки;

Низкая квалификация производственных рабочих;

нарушение технологической дисциплины из-за сжатых сроков, неравномерность запуска производства, поздняя комплектация цехами-смежниками, а так же покупными изделиями;

Отсутствие полных сведений по проведённым аттестациям технологий сварки, что делает их бесполезными для дальнейшего использования;

Низкое качество сварочных материалов;

Проектирование сварных конструкций по принципу доступности к месту сварки без учета влияния получаемых разделок на последующие возникающие сварочные деформации;

Расстановка технологических распорок, оснастки вслепую технологами без учета точного места прогнозируемых деформаций.


Вследствие чего возникают следующие проблемы:

Дефекты сварных швов, их исправление, вложение больших

деформаций в металлоконструкцию, нежели если все было

бы заварено с первого раза;

Правка металлоконструкций после сварки, с учетом

исправлений, машинная, ручная, с нагревом и т.д.

Увеличение цикла изготовления изделия, дополнительные

трудозатраты;

Проведение повторного контроля сварных швов;

Возможное снижение механических свойств металла шва;

Дополнительная термообработка изделий.

В результате:

срыв сроков изготовления изделия;

увеличение трудозатрат на исправление брака, в том числе

сварочных деформаций;

снижение качества выпускаемой продукции.


Сравнение сварочного производства

Возможность отработать техпроцесс

применительно к условиям изготовления

на заводе

Точная технология и изготовление в срок,

контролируемое качество изделия

Окончательная форма и коробление

конструкции

Видимые и невидимые дефекты

Образование дефекта

Распределение напряжений, деформаций,

температуры, информация о фазовых

превращениях

Распределение нагрузки на оснастку

“ Взгляд внутрь процесса ”

Окончательная форма

Видимые дефекты

Невидимые дефекты за счет

неразрушающего контроля

Недостаточно времени на полноценную

технологическую подготовку производства

при разовых и мелкосерийных заказах,

срыв сроков

В ходе производства появляются дефекты,

которые устраняются повторной сваркой

(поры, шлаковые включения, непровары) и

правкой (деформация конструкции)

Нет информации о поведении процесса.

Текущая ситуация С применением моделирования сварки

Больший потенциал в производстве

за счет "больших" сведений!


Моделирование сварочных процессов

JmatPro

Simufact.Welding

1. ПО GMAWSim – ПО имитации сварки многопроходных швов в смеси защитных газов соединений по

ГОСТ 14771, 23518, ПНАЭ –Г7-009-89

2. ПО SAWSim – ПО имитации сварки многопроходных швов под слоем флюса соединений по ГОСТ

8713

3. ПО TM-EQVSim – ПО для определения параметров эквивалентного источника теплоты для расчёта

деформации сварной конструкции

4. Simufact.Welding – профессиональное коммерческое программное обеспечение для моделирования

сварки, основанное на методе конечных элементов.

5. JmatPro – профессиональное коммерческое программное обеспечение для создания свойств

материалов по их химическому составу


Предпосылки создания своего ПО Simufact.Welding требует задать параметры

эквивалентного источника

Если параметры эквивалентного источника задать

методом «научного тыка», то расчет либо не

выполнится либо даст недостоверные данные

Параметры эквивалентного источника можно задать

приближенно и подгонять их по результатам опытных

образцов, это недешево и долго

Специализированное ПО позволяет вычислить

параметры эквивалентного источника без тестового

образца, что значительно сокращает время расчетов

в Simufact.Welding с высокой достоверностью

Актуальность


Структура САЕ ОАО ТЯЖМАШ


Созданы элементы САЕ

для имитации сварки: ПО TM-WELDING

1. ПО GMAWSim – ПО имитации сварки многопроходныхшвов в смеси защитных газов соединений по ГОСТ 14771,23518, ПНАЭ –Г7-009-89

2. ПО SAWSim – ПО имитации сварки многопроходныхшвов под слоем флюса соединений по ГОСТ 8713

3. ПО TM-EQVSim – ПО для определения параметровэквивалентного источника теплоты для расчётадеформации сварной конструкции


Элементы ПО GMAWSim и SAWSim

1. Препроцессор для ввода геометрии

свариваемых кромок и параметров сварочного

процесса

2. Процессор для имитации процесса сварки

3. Постпроцессор для анализа результатов и

формирования документов

4. Базы данных о свойствах сталей и сварочных

материалов


Препроцессор TM-GMAWSim


Процессор GMAWSim


Постпроцессор GMAWSim

Протокол GMAWSim

ПО TM-EQVSim – ввод данных

ПО TM-EQVSim – результаты


Взаимодействие пакета TM-Welding c Simufact.welding

• Для расчёта деформации конструкции при сварке в

Simufact.welding требуется задать параметры

эквивалентного источника теплоты.

• При виртуальном воспроизведении формирования шва

ПО GMAWSim и SAWSim определяют параметры

эквивалентного источника теплоты по заданным

параметрам сварочного процесса.

• Параметры эквивалентного источника более просто

определяются TM-EQVSim по размерам поперечного

сечения шва по ГОСТ.


Расчёт температур напряжений и деформаций в

Simufact.welding


Общий результат применения САЕ

1. Оценка деформации сварной конструкции на

стадии её проектирования (ПО TM-EQVSim и

Simufact.welding ).

2. Имитация формирования шва и деформации

конструкции на стадии создания технологии

(ПО GMAWSim или SAWSim и Simufact.welding ).

3. Использование в САПР ТП при подготовке

технологий новых изделий удачных технологий

сварки из банка данных CAE.

Simufact.welding: Профессиональное моделирование сварочных процессов

Промышленные сварочные процессы требуют высокой степени

безопасности процесса.

Моделирование сварочных процессов позволяет:

- разработать правильный процесс сварки изделия

- правильно применять зажимные устройства, используемые в процессе

сварки и правильно подобрать режимы сварки

- предсказать искажения окончательной геометрии после сварки так, чтобы

получить изделие с точными допусками

- получить информацию о зонах теплового влияния при сварке, что

позволяет специалистам сделать вывод о качестве свойств сварных швов

Внутренние напряжения при сварке

Поля области применения Simufact.welding для моделирования сварки

Simufact.welding это программное обеспечение для моделирования сварки,

основанное на методе конечных элементов. Конечно- элементные расчеты

пригодны для моделирования поведения упруго-пластичного материала, а

также для имитации структуры сварки.

Последние вычислительные технологии Simufact.welding удобны в

использовании и позволяют эффективно рассчитать сварочные

последовательности и реалистично предсказать искажения компонента,

вызванные остаточными напряжениями.

Simufact.welding рассчитает микроструктурные свойства в зоне

термического влияния, а его форма позволяет делать выводы о свойствах

сварного шва, в частности его прочности.

Технолог при моделировании получает ценные указания для выявления

дефектов сварки, такие как горячие трещин, что позволяет ему избежать их

на практике.


Моделирования сварки можно упростить

за счет специальных разработок ОАО

ТЯЖМАШ

Геометрию свариваемых деталей и сварочных

швов можно задать в CAD, расчетную сетку также

можно подготовить в Patran, Mentat, MSC Apex,

Simufact, CATIA…

Свойства материалов можно подготовить в

JmatPro по химсоставу марки материала

Сварочные режимы и эквивалентный источник

тепла вычисляются в ПО ОАО ТЯЖМАШ

РЕЗУЛЬТАТ ВЕРИФИКАЦИИ

программы моделирования TM-GMAWSIM

Подготовка геометрии и расчетных сеток в CATIA.

Параметры сварного шва взяты из TM-GMAWSIM


Создание свойств материалов по

химсоставу


Пример для процесса GMAW

TM-GMAWSim Simufact.Welding

+ Goldak’s HS parameters:Power = 6369.4 W; Efficiency = 95%;Rx1 = 1.2 mm; Rx2 = 18.6 mm;Ry = 4.8 mm; Rz = 5.8 mm

Welding procedure

2.6 mm


ВыводыМоделирование сварочных процессов позволяет

повысить качество изделий

Внедрение моделирования сварочных процессов очень важно для получения новых ответственных заказов и показывает заказчикам, что предприятие применяет в своем производстве самые современные научные достижения для повышения качества своей продукции

Разработки ОАО ТЯЖМАШ упрощают использование Simufact.Welding

Выводы

Спасибо за внимание:

По всем вопросам, связанным с Simufact обращайтесь по адресам:

Салиенко Александр Евгеньевич

Зам. директора бизнес единицы по ГТО –

директор по науке и исследованиям ОАО Тяжмашe-mail [email protected]

Князев Эдуард Юрьевич

Руководитель технического отдела MSC Software RUS

e-mail [email protected]

тел. +7 495 363 06 83 доб. 3107

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Возможности simufact.welding для моделирования процессов...

Documents