焊接模拟中约束/夹持的构建
华东交通大学材料工程系匡唐清
…\toolbox2012\03_Engineering_Guide\06_Clamping\Welding\Welding_Restraining_030307.ppt
…\toolbox2012\01_Urs_Guides\04_Welding_urs_guide_2008_en.pdf
引言
夹持条件clamping conditions也叫约束restraining，是力学边界条件。夹持条件是焊接模拟中非常重要的因素之一，直接影响到结果的正误及计算时间。
由于有限元法FEM的原因，焊件至少应该运动学稳定，也就是说在模拟模型中焊件应该被夹持Clamped（支撑Supported），保证不发生刚体运动。
尤其要注意的是若夹持过于靠近熔融区，会导致很大的局部塑性变形，而这会使得模拟时间大大增加。
若焊件被夹持，并不意味着在模拟中该焊件的所有自由度都应该完全被锁死。事实上，绝大多数夹具的刚度都是有限的，允许被夹持的焊件存在轻微移动。
焊接导致热膨胀，即体积增大。若焊件被完全锁死，则会产生相应的反作用React，无论在实际工艺中还是在模拟中。热膨胀这种自然属性是不可抑制的，不论在实际工艺中还是在模拟中的夹具必须考虑到这一点（刚性Rigid约束应该只施加在面的垂直方向perpendicular to plane上，弹性Elastic
约束应该施加在面内in plane）。
可用刚性约束和弹性约束来构建夹持条件。
夹持条件确定了节点位移或旋转的一个或多个分量的值。节点的自由度取决于所选计算选项Computation Option。刚性夹持Rigid clamping条件总是加在节点上，若加在单元组上，会转化到这些单元的所有节点上。
好的比喻句如何在FEM模型中对焊件进行最合适的夹持——应进行焊件的变形预览，观察横向收缩Transver shrinkage、角变形Angular distortion、纵向收缩Longitudinal shrinkage、纵向弯曲Longitudinal bowing、Buckling。对每种变形模式，都应追问其程度如何，是否与几何非线性行为有关。而后在有限元模拟时对焊件进行相应的夹持，模拟计算结束后，利用历史文件显示变形演变过程（高度放大），看效果。若有必要更改UPDATE夹持，则采取相应的措施。
Basics基础
二维计算选项Two-dimensional computation options和二维单元two-dimensional elements：二维计算选项即为实体网格在X-Y面构建，Z为常数，对于平面模拟选项plane simulation options通常为0，而对轴对称选项axial-symmetric option则强制为0。二维单元是指用于模拟面而不是体的几何的单元。
Two-Dimensional Solid Elements二维体单元
采用X-Y面内的二维体单元建模的二维力学模型，节点的空间运动有两个平动自由度UX/UY （SYSWELD特定变量）
UX-沿X轴的平动
UY-沿Y轴的平动
热学模拟只有一个自由度
TT-节点温度场面描写的作文
Three-Dimensional Solid Elements三维体单元
采用空间内的三维体单元建模的三维力学模型，节点的空间运动有三个平动自由度：
UX/UY/UZ；热学模拟只有一个自由度：TT。
Two-Dimensional Shell Elements二维壳单元
采用空间内的二维壳单元建模的三维力学模型，节点的空间运动有三个平动自由度：UX/UY/UZ 和三个转动自由度：RX/RY/RZ；热学模拟只有一个自由度：TT。
RX-绕X轴旋转
RY-绕Y轴旋转
RZ-绕Z轴旋转
Syntax Rules语法规则
为给一个自由度赋值，有以下语法：
-UX吃蜂蜜的禁忌
-UX 值
-UX=值
-UX UY UZ 值
-UX=UY=UZ=RX=RY=RZ=值
Rigid Constraints刚性约束
刚性约束定义了节点某方向位移为0，其语法：
-UX
-UX 0
-UX=0
Predefined Displacements预定义位移/变形
预定义位移displacement是预定义的非0的刚性约束，其语法：
-NODE 1 / UX 5
节点1在模拟开始时就沿X方向移动5个单位并保持不变
预定义“displacement位移”也可是温度，时间上，在热学分析中温度即为“displacement位移”自由度。当以给定温度impod temperature来定义模拟时即施加了此约束。若体的所有节点都给定温度，该体的温度模拟只有1个模拟步。这是缩短冗长的冷却模拟的首选方法，比如重启模拟22摄氏度到20摄氏度的空冷，淬火介质的温度不是一个约束。其语法：
素鸡怎么烧-NODES / TT 20
-所有节点温度为20且保持不变
Elastic Constraints弹性约束
弹性约束可用于单元或节点，采用弹簧刚度来定义，单位力/长度Force/Length。单元的弹性约束是模拟真实夹持条件的最简单方式，所需知道的就是夹具的刚度。在结果对夹持刚度敏感时就应用弹性约束，而这是在焊接模拟中最可能出现的情况。
注意：无夹持Unclamping不应该用弹性夹持来构建，尤其是采用了非线性几何nonlinear geometry的计算选项。
各计算选项可用的弹性约束如下：
曹德旺简介Two-Dimensional Solid Elements二维体单元
KX<；值>，比如KX=1.0，表示力为1N时，节点/单元将移动1mm （单位位N/mm）
KY<；值>
Three-Dimensional Solid Elements三维体单元
KX<；值>
KY<；值>
KZ<；值>
Two-Dimensional Shell Elements二维壳单元
KX <；值>
KY <；值>
KZ <；值>
HX <；值>
HY <；值>
HZ <；值>
若弹性约束施加在2D单元上，还可以指定标签label为LOCAL，则将约束定义在单元的局部坐标系上，而不是焊件的全局坐标系上。
Available Constraints per Computation Option各计算选项可用的约束
歌颂老师的作文
2D Cross Section and 2D // Weld 2D截面和2D // Weld
- Rigid: UX, UY
- Elastic: KX, KY
2D Rotational (axial symmetric) 2D旋转（轴对称）
Rigid: UX, UY. UX 只用于特定情况，一般轴对称模型不需要径向X支撑。四边形的内角和
Elastic: KX, KY. KX 只用于特定情况，一般轴对称模型不需要径向弹性KX支撑。
Solids (three-dimensional solids)体（3D体）
Rigid: UX, UY, UZ
Elastic: KX, KY, KZ
Shells (two-dimensional shell elements in a three dimensional space)壳（3D空间的2D壳单元）
Rigid: UX, UY, UZ, RX, RY, RZ
Elastic: KX, KY, KZ, HX, HY, HZ
Shells - Solids壳-体
壳单元有6个自由度可夹持，而3D体单元只有3个自由度。在壳单元与体单元相接的节点处壳单元可自由旋转而不因与体单元相连而自动受约束。因此可能需要用到刚性连接单元rigid link elements或采用特定的网格技术。详细信息参
见…\toolbox2012\03_Engineering_Guide\03_Meshing\Shell_Solid_Structures
Rigid Body Motions刚体运动
在焊接分析（静态应力分析）中应该提供足够的支撑/约束以防止刚性位移。若RBM没避免，即使没有
外部载荷，圆整误差也可能导致大变形甚至是致命的错误。RBM只有焊件确定了静态支撑并进行了连续力学的定义才能避免。RBM应该采用刚性约束来避免，而不是用弹性约束。
刚体运动被正确地约束后，焊件既不能平动也不能转动，均匀的温度上升也不会产生内应力。
七言祭文若有弹性夹持条件，也应注意到刚体运动应该采用刚性约束来约束。在应用非线性几何计算选项时这点尤其重要。
不得采用弹性约束来构建无夹持Unclamping
How to block RBM for 2D Cross Sections 2D截面的RBM约束
网格在Z=常数最好Z=0的面内构建，两个节点在Y方向、一个节点的X方向需要被夹持。在因熔池深度过大导致焊件几乎分开的情况下，需要特别处理。详见“‘Attention for Welded 2D Plane Structures”
比如：
Node 1: UX UY
Node 2: UY
从节点1、2沿UY方向的矢量不通过空间同一点（节点1、2连线不与UY方向平行？）没理解！How to block RBM for 2D Rotational Structures 2D旋转结构的RBM约束网格在Z=0的平面内构建，焊件不能绕Y轴（旋转轴）旋转。所有节点X坐标为正，旋转轴为Y 轴。对一个节点的Y方向进行夹持。
比如：
Node 1: UY
为避免矩阵的可能病态条件，为保险起见，在旋转轴上不应有刚性约束，因此在距离Y轴一定距离的位置选择夹持点，这在使用线性方程组迭代求解器时尤其必要。
How to block RBM for 3D Solid Structures 3D体结构的RBM约束
需选择与后续想看的结果相关的面，面内的3个节点必须在垂直方向被夹持；为约束绕面法向轴的旋转，其中两个节点需附加夹持；为限制沿面法向轴方向的平动，其中1个节点需再附加夹持。总共要
