CN109325292B - 一种基于ansys的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于ANSYS的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法。该方法的主要内容包括，在给定焊接轨迹线、焊枪轨迹线、焊接起点和热源移动步长的前提下，利用ANSYS的内部命令，自动计算出热源移动过程中以热源中心为原点的动态坐标系各坐标轴的实时方向，为热源加载提供准确的局部坐标系。在复杂焊接轨迹的情况下，热源加载方向是实时变动的，本发明通过焊枪轨迹线的辅助作用，严格确定局部坐标系的坐标轴方向，从而定位热源加载方向。利用本发明公开的局部坐标设定方法，使焊接模拟能够很方便地进行复杂轨迹线的模拟，增大了焊接模拟的适用范围，增强了焊接模拟的实际应用性。

Description

一种基于ANSYS的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定 方法
技术领域
本发明涉及有限元仿真技术领域，尤其涉及一种基于ANSYS的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法。
背景技术
在焊接模拟过程中，为了实现焊接热源移动的模拟，需要将整个焊接轨迹线按照焊接模拟所设定的空间步长分段，在每段上建立热源加载所需的局部坐标系。通过文献查阅，焊接模拟的研究通常局限于直线或圆弧等规则轨迹或规则轨迹的组合，随着热源中心的移动，局部坐标系原点做相应的改变，坐标轴方向在移动过程中保持不变或做相应的有规律的转向。而实际的焊接过程中焊接轨迹可能是很复杂的曲线，甚至是空间不规则曲线。本发明所公开的一种基于ANSYS的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法，正是解决上述技术问题，从而可有效地解决复杂焊接轨迹焊接模拟中热源加载的难题，提高焊接模拟的适用范围，兼容实践中复杂情况下的焊接。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于ANSYS的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法，本方法使焊接模拟能够很方便地进行复杂轨迹线的模拟，增大了焊接模拟的适用范围，增强了焊接模拟的实际应用性。
本发明采用的技术解决方案如下:
（1）准备工作
本发明需要在以下工作完成的情况下才能实施：
已进行符合焊接模拟要求的合理的有限元网格的剖分，通常为了平衡计算精度和计算时间，焊缝区的网格划分得密一些，远离焊缝区疏松一些，以及其他的与焊接模拟有关的设定，如散热面的指定，装夹点的设定，各部分材料属性的设定，环境温度、预热温度的设定等。
绘制焊接轨迹线和焊枪轨迹线。焊枪轨迹线是指焊枪上的一固定点在整个焊接过程中随着热源移动所形成的轨迹线。
在实际的焊接中，焊枪轨迹线可能不平行焊接轨迹线，本发明也适用。通常情况下，可基于焊接轨迹线采用曲线偏移的命令获得焊枪轨迹线。
再有一个必备的参数是焊接热源沿着焊接轨迹线移动的步长需要给定。
（2）焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法
a. 起始点的指定
指定焊接轨迹线上的焊接起始点，包括焊枪轨迹线上的起始点，比如一个完整的圆，必须要有个开始点。可通过拾取的方式，或通过对话框的方式填写开始点的编号，来指明焊接轨迹和焊枪轨迹的起始点。
b. 焊接轨迹线和焊枪轨迹线的指定和长度的计算
因为Ansys软件曲线实体的特点，复杂的曲线是由多段线的组合而成，例如，圆就是由四段圆弧线组成，因此，对于复杂曲线的焊接轨迹，要按照焊接顺序依次点选，同样，焊接轨迹的选择也要按照焊接顺序依次点选。或者通过对话框的方式填写曲线组合段的数量和编号。
如下面通过循环命令获取焊接轨迹线的分线段的编号和线段的长度：
*do,i,1,WNUM ! WNUM为组成焊接轨迹的分线段的数量
LSEL,S,P !通过拾取选择焊接线
*GET,WL(i),LINE,,NUM,MAX !通过拾取的方式获得线的编号
*GET,wleng(i),LINE,wl(i),LENG !提取线的长度
……
*enddo
同样可通过类似的命令获取焊枪轨迹线的分线段的编号和线段的长度。
将循环过程获得的分线段求和，计算焊接线和焊枪轨迹线的总长。
c. 计算局部坐标系的原点坐标
计算分段加载法焊接热源的中心坐标
根据设定的移动的空间步长，计算焊接线的分段数k。然后利用循环过程及下列组合命令计算焊接线各空间步长分段起点处的坐标。
frac=(k-1)*step/WLENG(i) !从焊接起点到上第k段步长起点处分数
wxc(k)=LX(WL(i),frac) !焊接线编号为WL(i)段的长度百分数为frac处的x坐标值
d. 计算局部坐标轴相对于全局坐标轴的转角
根据坐标差的比值计算局部坐标轴相对于全局坐标轴的转角。
如局部坐标轴的x轴向全局坐标轴的y轴方向的转角：当wyc(k+1)-wyc(k)>0时，THXY(k) = -ATAN ((wxc(k+1) - wxc(k)) / (wyc(k+1) - wyc(k)))
同理，可计算局部坐标轴的y轴向全局坐标轴的z轴方向的转角，局部坐标轴的z轴向全局坐标轴的x轴方向的转角。
e. 局部坐标系的设定
LOCAL,c,0,wxc(k),wyc(k),wzc(k),THXY(k),THYZ(k),THZX(k),1,1,
由此确定了焊接热源沿着焊接轨迹及焊枪运动轨迹局部坐标的原点及坐标轴的方向。
此方法可处理复杂的焊接轨迹线。
上述办法就是本发明公开的一种基于ANSYS的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法。后续的热源沿着焊接轨迹的加载，可利用ANSYS的循环命令，基于上述局部坐标系进行循环加载和卸载与焊接方法匹配的热源模型（如高斯热源，椭圆热源，双椭圆模型等，或更为复杂的组合热源），实现焊接热源移动的模拟。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
利用本发明公开的局部坐标设定方法，使焊接模拟能够很方便地进行复杂轨迹线的模拟，增大了焊接模拟的适用范围，增强了焊接模拟的实际应用性。
附图说明
图1 是本发明实施例中的焊接轨迹线，即焊接轨迹线为三段相接的圆弧。
图2 是本发明实施例中焊接轨迹热源加载的局部坐标系，及不同时刻焊接热源的运动位置及温度场分布图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内。
实施例：
本实例公开了一种基于ANSYS的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法。本实例的焊接轨迹线如图1所示，为平板表面三段弧线连接而成。
本实例拟进行焊接模拟的试板为5mm厚的平板，已进行符合焊接模拟要求的合理的有限元网格的剖分，即为了平衡计算精度和计算时间，焊接轨迹线附近的网格划分得密一些，远离焊接轨迹线的区域划分得疏松一些，本实例为了简化采用统一的网格尺寸1mm，散热条件为对流散热，焊接热源采用双椭球热源模型，材料采用普通碳素结构钢。
焊枪轨迹线位在试板的上方，与焊接轨迹线平行，两线相距5mm。
本实例首先要指定焊接轨迹线和焊枪轨迹线上的焊接起始点，本实例通过点选的方法获取焊接轨迹线和焊枪轨迹线上的焊接起始点的编号：
NSEL,S,P !拾取焊接起点
*GET,Ws,KP,,NUM,MAX !通过拾取的方式获得节点的编号
……
本实例的焊接轨迹线和焊枪轨迹线均由三段圆弧线连接而成，APDL程序需要知道组成线段的顺序和编号，本实例通过循环命令获取焊接轨迹线和焊枪轨迹线的分线段的编号和线段的长度：
*do,i,1,WNUM ! WNUM为组成焊接轨迹的分线段的数量
LSEL,S,P !通过拾取选择焊接线
*GET,WL(i),LINE,,NUM,MAX !通过拾取的方式获得线的编号
*GET,wleng(i),LINE,wl(i),LENG !提取线的长度
……
*enddo
将循环过程获得的分线段求和，计算焊接轨迹线和焊枪轨迹线的总长。
根据设定的空间步长，计算焊接轨迹线和焊枪轨迹上为了加载焊接热源设定的分段数k。然后利用循环过程及下列组合命令计算焊接线各空间步长分段起点处的坐标。
frac=(k-1)*step/WLENG(i) !从焊接起点到上第k段步长起点处分数
wxc(k)=LX(WL(i),frac) !焊接线编号为WL(i)段的长度百分数为frac处的x坐标值
为了保证热源运行趋势与焊接轨迹线相切及焊枪瞬时方位，本实例根据步长起始点的坐标差的比值计算局部坐标轴相对于全局坐标轴的转角。
如局部坐标轴的x轴向全局坐标轴的y轴方向的转角：当wyc(k+1)-wyc(k)>0时，THXY(k) = -ATAN ((wxc(k+1) - wxc(k)) / (wyc(k+1) - wyc(k)))
同理，可计算局部坐标轴的y轴向全局坐标轴的z轴方向的转角，局部坐标轴的z轴向全局坐标轴的x轴方向的转角。
根据上面计算获得第k段步长起点处的坐标值和转角值，设定热源在该点处加载的局部坐标系：
LOCAL,c,0,wxc(k),wyc(k),wzc(k),THXY(k),THYZ(k),THZX(k),1,1,
由此确定了焊接热源在某一瞬时在焊接轨迹线上加载位置及方位，如图二所示。图2展示了焊接热源在焊接轨迹线上加载的局部坐标系，及不同时刻焊接热源的运动位置及温度场分布。

Claims (3)

1.一种基于ANSYS的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法，其特征在于该方法包括下列主要步骤：
a.首先指定焊接轨迹线和焊枪轨迹线上的焊接起始点，可通过拾取的方式，或通过对话框的方式填写开始点的编号；
b.焊接轨迹线和焊枪轨迹线的指定和长度的计算：
因为在Ansys中复杂的曲线是由多段线的组合而成，因此，对于复杂曲线的焊接轨迹，要按照焊接顺序依次点选，或者通过对话框的方式填写曲线组合段的数量和编号，下面的代码段是通过循环命令获取焊接轨迹线的分线段的编号和线段的长度：
*do,i,1,WNUM！WNUM为组成焊接轨迹的分线段的数量
LSEL,S,P！通过拾取选择焊接线
*GET,WL(i),LINE,,NUM,MAX！通过拾取的方式获得线的编号WL(i)
*GET,wleng(i),LINE,wl(i),LENG！提取线编号为wl(i)的长度wleng(i)
*enddo
同理，获取焊枪轨迹线的分线段的编号和线段的长度，将循环过程获得的分线段求和，计算焊接线和焊枪轨迹线的总长；
c.计算局部坐标系的原点坐标：
计算分段加载法焊接热源的中心坐标，根据设定的移动的空间步长step，计算焊接线的分段数k，然后利用循环过程及下列组合命令计算焊接线各空间步长分段起点处的坐标：
frac＝(k-1)*step/WLENG(i)！从焊接起点到上第k段步长起点处分数frac
wxc(k)＝LX(WL(i),frac)！焊接线编号为WL(i)段的长度百分数为frac处的x坐标值wxc(k)
d.计算局部坐标轴相对于全局坐标轴的转角：
根据坐标差的比值计算局部坐标轴相对于全局坐标轴的转角，如局部坐标轴的x轴向全局坐标轴的y轴方向的转角THXY(k)：当wyc(k+1)-wyc(k)>0时，THXY(k)＝-ATAN((wxc(k+1)-wxc(k))/(wyc(k+1)-wyc(k)))，同理，可计算局部坐标轴的y轴向全局坐标轴的z轴方向的转角THYZ(k)，局部坐标轴的z轴向全局坐标轴的x轴方向的转角THZX(k)，
e.局部坐标系的设定：
LOCAL,c,0,wxc(k),wyc(k),wzc(k),THXY(k),THYZ(k),THZX(k),1,1,！c为局部坐标系编号
由此确定了焊接热源沿着焊接轨迹及焊枪运动轨迹局部坐标的原点及坐标轴的方向。
2.权利要求1所述的基于ANSYS的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法，复杂焊接轨迹包括空间不规则曲线的焊接轨迹。
3.权利要求1所述的基于ANSYS的复杂焊接轨迹热源加载局部坐标系设定方法，复杂焊接轨迹包括与焊接轨迹线非平行的焊枪轨迹线的焊接情况。
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