设计仿真 | Simufact Welding助力重工行业解决焊接难题
在重工行业中，焊接是整个生产中非常关键的一环，重工行业中涉及到的焊接不仅种类多、焊缝多、焊接结构复杂，且大部分焊缝均为多层多道焊，这就导致了在整个焊接过程中，零件的焊接变形难以控制。因此长期以来，对于焊接工艺的改进和优化主要依靠工艺人员的经验和各类工艺试验，一直缺乏一套专业的有效的方法和手段。随着计算机技术的发展和有限元理论的逐渐成熟，焊接模拟仿真技术已经开始成为在焊接工艺优化改进过程中的良好手段和方法。
国际上基于有限元手段进行焊接仿真起始于上个世纪60-70年代，距离现在已经有40-50年的发展历史了，其在焊接模拟仿真领域上的理论知识和工程应用已经相当成熟。通过CAE仿真软件对焊接过程进行模拟，可以精确模拟材料机械、物理和冶金过程中的性能变化过程和结果，从而获得整个焊接过程中的金相组织变化、温度场、应力场、变形场、硬度等信息，工艺人员可以通过这些结果信息，对焊接工艺参数和工艺方案进行优化，提高焊接质量，更进一步为产品的变形分析和残余应力分析等提供相应的理论支撑。
01 Simufact Welding工艺仿真解决方案
海克斯康的焊接工艺仿真解决方案——Simufact Welding，作为在国内外先进的焊接工艺仿真软件，已经帮助众多重工行业客户解决焊接装配中的焊接变形、焊接开裂等问题。国内重工行业中使用Simufact Welding焊接工艺仿真解决方案的有徐工、三一重工、中联重科、同力重工、柳工、安徽合力叉车、湖南星邦重工等知名企业。
Simufact Welding焊接工艺仿真解决方案主要帮助用户解决焊接变形过大、焊接残余应力（焊后开裂风险分析）、焊后热处理等情况，可以帮助用户从焊接工艺参数优化、焊接顺序优化、焊接方向优化、焊接工装优化、焊后热处理工艺优化等各角度进行快速的工艺参数优化，为工艺设计人员提供专业的指导。通过对比不同工艺方案下的零件变形和残余应力等，帮助用户制定合理的焊接工艺方案，减少试验成本，从而保证产品质量，缩短生产周期，节约生产成本。
重工行业结构件较大、多层多道焊、焊缝较长、壁厚较厚等特点，不太适合使用壳单元，针对此特点Simufact Welding具有专业的实体-壳网格，在求解过程中考虑壁厚的温度、内应力、外载荷等的作用，焊缝附近网格节点无需匹配，焊接过程中可以自动细化粗化，多种快速算法加速求解效率。既能保证求解的精度，又能保证求解效率。
— 求解精度 —
Simufact Welding
如下图所示的钢结构焊接仿真结果对比，仿真最大值为4.75mm，实际扫描的最大值为4.68mm，最大值仅相差0.07mm。而且仿真预测翘曲变形的区域，实际焊接时翘曲变形位置相对应，Simufact Welding 变形趋势和变形量上均与实际对应。
（左-仿真结果，右-实际扫描结果）
Simufact Welding仿真结果与实际对比（视图放大15倍）
— 求解效率 —
Simufact Welding
Simufact Welding 除了DDM/SMP并行加速求解算法之外，还有一些快速算法，只需进程树中复制模型，切换求解算法，无需重新建模，主要的快速算法包括解耦、热循环曲线法（TC）、高级热循环曲线法（ATC）、单发计算、收缩法（固有应变法），各方法的计算效率对比如下：
表1：不同算法间的对比(测试模型47万网格，焊缝6m)
表2：热循环曲线法（TC）和高级热循环曲线法（ATC）的对比
（测试模型38.9万网格，9765mmX1529mmX2069mm，焊缝长度3.5m）其中：8DDM代表8核并行计算；TC-热循环曲线法；ATC-300-高级热循环曲线法，系数300
从上表中可以看出，Simufact Welding 的快速算法可以提高几十上百倍的求解效率，用户可以根据不同的需求，选择不同的求解算法。
02 行业案例展示-某机车底盘
— 模型简介 —
Simufact Welding
某机车底盘结构由上板、下板、加强筋、支撑、枢轴等共计25个结构件通过焊接工艺装配组成。焊接过程分为两个工步进行焊接，焊接完第一个工步后将第一个工步的结果继承到第二个工步上进行后续模拟分析；在Simufact Welding中可以直接从结果复制，将前序工位计算的结果传递到后续焊装工位，方便多个组装焊接工位。
该模型采用Intel Dual XEON E2-2620v2 @2.5GHz 32GB RAM NVidia QUADRO K4000的计算机上采用热循环法计算，工位一计算时间约6小时，工位二计算时间约10小时；总装的模型网格达到约93万（组件采用四面体网格、焊缝采用六面体网格，未激活网格自动细化）。
— 仿真结果 —
Simufact Welding
从变形云图中可以看出，零件在工步一中，最大变形为1.51mm，发生在零件的两侧立板；零件在工步二中，零件焊接完成后，零件最大变形为6.34mm，零件发生了一定的扭曲变形，零件在两侧安装座的最大翘曲变形为5.5mm。
通过Simufact Welding软件的仿真，可以快速的分析出零件在各焊接工艺中的变形，预先找到零件可能出现的焊接问题，可以快速的帮助工艺人员制定相关的工艺优化方案。
另外，对于结构对称、工艺对称的焊装仿真，在Simufact Welding中可以使用对称模型，可以大大降低网格数量，更快速的评估焊接变形、残余应力等缺陷。
（海克斯康工业软件）
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