基于ANSYS Workbench的焊接T形接头力学分析

张国权杨永洪

昆明铁道职业技术学院云南昆明 650208

摘要：随着工程技术的不断进步，焊接接头在各种工程结构中扮演着越来越重要的角色。其中，T形接头作为一种常见的焊接连接形式，其力学性能对整体结构的稳定性和安全性至关重要。本文旨在利用ANSYS Workbench软件对焊接T形接头进行力学分析，通过建模、分析、结果后处理等环节，深入探讨其应力分布、变形情况以及潜在的失效模式，为工程设计和优化提供理论支持。

关键词：ANSYS Workbench；焊接T形接头；力学分析

基金项目

2023年度云南省教育厅科学研究基金项目“六轴焊接机器人教学设备研发”（课题编号：2023J1924）

一、引言

在现代工程中，焊接技术已成为连接各种金属材料的主要手段之一。特别是在钢铁、航空航天、船舶等领域，焊接接头被广泛应用。然而，焊接过程中产生的残余应力和变形会对接头的力学性能产生显著影响，甚至可能导致结构失效。因此，对焊接接头进行准确的力学分析至关重要。

ANSYS Workbench是ANSYS软件中的一个集成化仿真模块，它的主要用途是对复杂机械系统进行各种仿真分析。具体来说，它可以对结构静力学、结构动力学、刚体动力学、流体动力学、结构热、电磁场以及耦合场等进行分析模拟。从建模、分析网格生成，直到结果评价，所有的流程都可以在这个环境中完成。

本文选取焊接T形接头作为研究对象，利用ANSYS Workbench软件进行力学分析。通过模拟不同工况下的应力分布和变形情况，评估接头的承载能力和安全性，为工程实践提供有益的参考。

二、焊接T形接头模型建立

1、几何模型建立

在ANSYS Workbench中，利用DesignModeler工具建立T形接头的几何模型。根据实际尺寸和形状，精确绘制出焊缝、母材和热影响区。确保模型的几何精度和细节足够支持后续的分析。

或者利用SOLIDWORKS 软件建立模型，在保存为对应格式后在导入ANSYS Workbench中。

2、材料属性定义

为母材和焊缝定义适当的材料属性，包括弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度等。考虑到焊接过程中的热影响，还需定义材料的热膨胀系数、热导率等热物性参数。

3、网格划分

采用ANSYS Mesh工具对T形接头模型进行网格划分。在焊缝和热影响区使用更细的网格以捕捉应力和应变的变化。同时，确保网格的质量和数量满足分析要求，以提高计算精度和效率。

三、力学分析设置与求解

1、边界条件和载荷设置

根据实际情况，在T形接头上应用适当的边界条件和载荷。边界条件可能包括固定支撑、铰链支撑等。载荷可能包括拉力、弯矩、压力等。确保边界条件和载荷的设置能够真实反映接头的实际工作状态。

2、分析类型选择

选择合适的分析类型进行T形接头的力学分析。考虑到焊接过程中产生的残余应力和变形对接头力学性能的影响，可以选择静力分析、热-结构耦合分析等。根据分析需求选择合适的求解器和收敛准则。

3、求解过程

运行分析以求解T形接头的应力和应变分布。在求解过程中，密切关注迭代计算的收敛情况，确保计算结果的准确性和可靠性。

四、结果后处理与分析

1、应力分布分析

通过ANSYS Workbench的后处理工具查看T形接头的应力分布。重点关注焊缝区域的应力分布情况，评估其是否满足设计要求和规范。同时，分析应力集中现象的出现原因及其对接头力学性能的影响。

2、变形情况分析

分析T形接头的变形情况，包括整体变形和局部变形。评估变形对接头功能和使用寿命的影响。探讨减小变形的措施和方法，以提高接头的力学性能。

时间 [s]	最小 [mm]	最大 [mm]	平均 [mm]
1.	0.	4.0071e-003	7.0544e-004

3、等效弹性应变

它是在多轴应力状态下，将所有应变分量转化为一个等效的单轴应力状态下的应变值。用来描述材料在多轴应力状态下的变形性能的一个重要参数。

4、失效模式评估

根据应力和变形分析结果，评估T形接头的失效模式。分析潜在的失效原因和机制，提出改进和优化建议。为工程设计和实践提供有益的参考和指导。

五、对焊接接头分析的价值

1、通过基于ANSYS Workbench的焊接T形接头力学分析，我们深入了解了焊接接头的力学分析设置、应力分布、变形情况以及潜在的失效模式、疲劳状况。这为工程设计和优化提供了有价值的参考信息。

2、焊接接头作为连接结构中的关键部位，其质量和性能对整个结构的稳定性和安全性具有至关重要的作用。在实际工程中，焊接接头往往承受着复杂的应力状态和温度环境，容易发生疲劳、断裂等失效问题。因此，对焊接接头进行准确的分析和评估具有重要意义。

3、在实际工程中，焊接接头常常受到循环载荷的作用，容易发生疲劳失效。通过ANSYS Workbench的疲劳分析功能，可以评估焊接接头的疲劳寿命，预测其在实际使用中的性能表现，为结构的安全性和可靠性提供有力保障。

4、通过实验来研究和评估焊接接头的性能往往需要消耗大量的时间和资源。而通过ANSYS Workbench的仿真分析，可以在短时间内对焊接接头进行全面的分析和评估，大大降低了实验成本和时间。同时，仿真分析还可以为实验提供有力的指导，提高实验的针对性和效率。

参考文献

李世杰, 郑培飞, 温帅, & 马金艳. (2019). 基于ansys workbench的焊接机器人的性能分析. 河北工业大学学报, 48(4), 6.
李世杰等. "基于ANSYS Workbench的焊接机器人的性能分析." 河北工业大学学报 48.4(2019):6.

作者简介：

张国权，1994.03，男，彝族，云南省楚雄州，本科，实验师，智能焊接技术姓

杨永洪，1973.09，男，汉族，云南省昆明市，本科，实验师，机械加工技术