SORPAS 3D.welding 焊接模拟仿真系统

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案例研究库

SORPAS®的更大价值是领先的技术，并为制造公司生产附近的直接工业应用带来巨大收益。图库中提供了该软件的一些工业应用示例。

♦ 汽车行业

电阻焊接和机械连接是汽车工业中用于车身或白车身（BIW）组装的主要连接技术。

几乎所有的钢钣金件都是通过点焊组装的，而大多数铝钣金件是通过自冲铆接和铆接的方式组装的，而凸焊通常用于将焊接螺母紧固到板材上。

随着人们对轻型汽车减少二氧化碳排放，提高强度和提高碰撞性能以改善安全措施的要求不断提高，汽车中引入了越来越多的新材料，包括高级高强度钢（AHSS），铝合金和新的表面涂层。这些新材料极大地使焊接过程复杂化，并使传统材料焊接中的大部分现有知识无效。在建立焊接生产之前以及在生产维护期间，需要更多的焊接测试和工艺优化。

SORPAS®拥有汽车行业更大的用户群：

•  在研发部门，负责新材料的焊接性评估，以及连接工艺的创新

•  在规划部门，进行焊接工艺规划和优化，并建立新的焊接程序

•  在装配车间，进行生产启动和维护，以提高焊接质量和生产稳定性

电极降解

电阻焊接过程中的高电流和高压力条件使电极头处于在高磨损风险中。右图显示了镀锌钢板点焊中新旧电极头的比较。随着焊接数量的增加，电极头将发生两个主要变化： 1、几何变化 几何变化通常发生在钢板的电阻焊接中。由于钢的熔化温度较高，强度高于电极强度，电极尖端直径将因变形和磨损而增加，例如糊状，点蚀或拾取局部材料去除等。 2、冶金变化 在电阻焊接过程中，尖端表面附近的材料性能也会发生变化，例如与板材和涂层材料形成合金，以及由于过热而重结晶和软化。

飞溅预测

为了确保高质量的焊接，通常将焊接参数设置为接近飞溅条件。但是由于生产过程中动态条件的变化，可能导致熔液飞溅。 焊接工艺参数：焊接电流过大，焊接时间过长，或用力小都会引起飞溅。 电极接触：接触面积小，未对准 表面条件：灰尘，氧化物或其他任何物质均可导致高电阻表面，从而产生过多或局部的热量。

强度测试

目前有多种检测和评估点焊质量的方法。虽然用超声波或x射线扫描进行无损检测是检验点焊质量的理想方法，但通过手工凿试验或机械试验的破坏性强度检测仍然是评定焊缝强度最常用的方法之一。 以下是标准的机械化测试方法： 拉伸剪切试验 交叉拉伸试验 剥离测试 SORPAS 3D.testing可用于模拟焊接强度测试过程并预测载荷—伸长率曲线和更大断裂载荷。使用SORPAS 2D3D.link的新模块，也可以根据SORPAS 2D.joining仿真的结果来模拟机械连接的强度，例如SPR。

♦ 航天行业

机械连接和电阻焊接也广泛用于航空航天工业，用于连接重量轻，强度高的特殊金属部件，例如钛合金和铝合金，以及耐高温材料，例如镍铬合金等。

铆接是飞机机翼和机身组装中最常用的连接技术，而点焊也用于组装内部零件。

为了支持在航空航天工业中的应用，已将特殊材料添加到内置材料数据库中，包括铝合金，钛合金，铬镍铁合金和镍钴合金等。

除了开发完善的用于模拟和优化电阻焊接工艺的功能外，SORPAS®现在还得到了进一步开发，其新发布的版本用于模拟铆钉变形较大的铆接工艺。

♦ 电子行业

电阻焊接通常在电气和电子行业中用于连接各种（通常是良好的导电性，但更难焊接）材料和形状的部件，例如电连接器，转子和印刷电路等。

电气和电子工业中电阻焊接应用的特殊特征是其尺寸极小且难以焊接的奇特材料。

为了支持电气和电子行业的工业应用，已将特殊材料添加到内置材料数据库中，包括银，铜合金和镍合金等。为了简化微型组件的仿真，已将SORPAS®中的允许尺寸扩展到0.1微米（或4个小数点表示mm）。

平行间隙	热桩

SORPAS 2D.welding模块

SORPAS®是用于电阻焊仿真和电阻焊工艺优化的专业软件。它是为了工程师进行焊接仿真而被开发的。它不需要任何数值模拟方面的先验知识，具有焊接和材料知识的工程师可以轻松地学习和使用它。SORPAS®结合了焊接专业知识与数值技术，是一款独特而强大的工具。

“自2001年以来，我们一直在使用SORPAS®，并且在电阻焊领域取得了许多创新发展。我们现在正在将模拟的应用进一步扩展到过程优化，以支持生产计划。”                                                                    ——德国大众汽车股份公司的Matthias Graul先生

SORPAS®中的内置材料数据库包括几乎所有常用的金属材料，包括所有类型的钢，铝合金，钛合金，铜合金，镍基合金，表面涂层材料，纯金属和高熔点金属，例如钨和钼等。用户也可以添加自己的材料。软件可以模拟范围从毫米级到微米级的焊接连接尺寸。以及各种焊接机和电源，包括AC，DC，MFDC，逆变器和电容器放电。

功能

应用领域

SORPAS®已应用于各个行业，解决点焊、凸焊、对接焊和微电阻焊中的问题，并支持研发以及工艺参数优化。

评估材料的可焊性 评估焊接组合设计 评估电极设计 发明新的应用	预测可焊性凸角和焊缝生长曲线 优化工艺参数设置 确定焊接和冷却程序 排除焊接故障

焊接模拟案例

点焊： 模拟低碳钢，高强度低合金（HSLA）钢和双相（DP）钢板的三层点焊。	凸焊： 角螺母与钢板焊接的方螺母的凸焊模拟，显示了凸角塌陷后的焊缝。
对接焊： 模拟在两端焊接电阻加热并随后进行锻造和对焊的两块钢板的电阻。	平行间隙焊接： 用于将薄箔连接到钛合金基板的平行间隙焊接（微电阻焊接）的模拟。

模拟报告

每次模拟后，SORPAS®都会生成一份模拟报告文档。

左图是点焊模拟的基本报告。上部显示了初始焊接条件，包括材料组合，电极和工件的几何形状以及焊接工艺参数设置。在下部，它显示了主要的模拟结果，其中包括选定的工艺参数曲线，最终温度分布以及每个工件中焊点熔​​核的尺寸。

SORPAS 3D.welding模块

[SORPAS 3D输入向导步骤1]方螺母投影焊接模型

材料数据库和机器数据库直接与SORPAS®2D共享。目前已经开发了两个新的库，用于存储和加载用于电极和工件的六面体网格对象的3D模型。

SORPAS®3D焊接的工业应用

SORPAS®3D.welding的目标是促进和支持产品研发，产品设计以及焊接工艺优化。SORPAS®3D.welding可用于模拟复杂的焊接，例如多点焊，凸焊，电极错位和缝焊中的旋转运动。

以下是SORPAS®3D.welding模拟的一些示例。

SORPAS®3D模型用于模拟带有纵向压纹的电阻凸焊。	SORPAS®3D模拟结果用于带有纵向浮雕的电阻凸焊。	SORPAS®3D模型，用于模拟单面板材到管材的焊接。	单面薄板至管焊接的SORPAS®3D模拟结果。

一次性进行点焊过程和焊接强度的3D模拟
使用SORPAS®3D.welding完成焊接模拟后，也可以继续使用SORPAS®3D.testing进行焊接强度模拟分析。这使SORPAS®3D成为具有一次性模拟焊接过程和后续焊接强度分析以及焊接失效模式预测功能的软件系统。

SORPAS 2D.joining模块

SORPAS®2D.joining通过多种解决方案来模拟连接，例如铆接，自冲铆接（SPR），盲铆接以及通过胶粘剂进行连接，是一款便于学习的软件。

标准数据库为您提供常用的材料和一些铆钉的相关数据。我们与供应商合作以获得有关铆钉的更多详细信息，您也可以将您使用的铆钉添加到数据库中。

基于与SORPAS®2D.welding相同的概念，我们不仅可以进行优质的仿真，而且致力于创建一个便捷的软件工具，该工具可以帮助每个工程师快速，轻松地进行仿真！

SORPAS®2D的新功能                                                     SORPAS®2D.joining的应用

•  自适应重划                                                                        •  铆钉

•  断裂和开裂                                                                        •  自冲铆接（SPR）

•  接触建模                                                                            •  紧缩

•  接触摩擦                                                                            •  盲铆

•  表面涂料                                                                            •  用粘合剂连接

机械连接类型

自穿孔铆接（SPR）模拟

压弯模拟

盲铆接仿真

铆接模拟

SORPAS 3D. testing模块

评估焊接质量的常用方法是通过破坏性测试来获得各种（横向拉伸，拉伸剪切和剥离测试等）更大断裂力（如：十字拉伸力、拉伸剪切力和剥离力等），并获得焊点的失效模式（纽扣失效或界面失效）。SORPAS®3D.testing可以对所有测试方法进行3D仿真，以预测焊接强度，以及通过模拟焊接板的断裂来预测失效模式。

SORPAS®3D.testing的核心应用如下：

• 根据实际焊接和铆接条件进行模拟，并以此评估焊接和铆接强度。
• 导出实际材料和焊接条件的焊接和接头强度，支持后续的结构和碰撞模拟。

可以通过直接使用板材和定义焊点的方式建立SORPAS® 3D.testing模型，或继续使用SORPAS®3D的焊接模拟结果进行SORPAS®3D.testing仿真，焊接模拟结果包含了由于在焊接过程中的加热和冷却而导致的焊接及周边区域的材料性能变化。另外，也可以通过SORPAS®2D3D.link的附加模块使用SORPAS®2D.welding和2D.joining模拟结果进行SORPAS®3D.testing模拟。在这里了解更多有关它的信息。

SORPAS®3D.testing可以将电阻焊接和机械连接的模拟与焊接强度测试结合起来：

• 拉伸剪切测试	• 十字拉伸测试	• 轴向拉伸测试
• 剥离（或弯曲）测试	• 扭转测试

CAE / CAD工程师需要获取根据实际材料和实际的焊接生产条件得到的实际的焊接强度才能进行碰撞建模和结构模拟。SORPAS®3D.testing可以基于焊接模拟来预测焊接强度结果，并将结果导出到碰撞模拟模型中，例如Abaqus、LS-DYNA等。

不同强度测试方法的3D模型模板

SORPAS 3D.testing内置的了3D建模模板，可通过定义几何参数来创建强度测试工件。用户只需要输入尺寸和形状参数，就可以创建用于十字拉伸测试，拉伸剪切测试，剥离测试和KSII测试的测试工件。

以下是一些SORPAS®3D.testing模拟的焊接强度测试的示例。仿真结果包括焊接强度和失效模式，以及具有更大断裂力的载荷—延伸率曲线。

交叉拉力测试-插头故障

交叉拉伸测试-接口故障

轴向张力测试-插头故障

拉伸剪切试验

剥离测试-插头故障

模板也可用于机械连接

SORPAS®2D3D.link

SORPAS®2D模拟的计算时间比3D模拟要短很多。为了利用2D.welding and 2D.joining模拟的优势，于是开发了一个特殊的软件模块，用于基于2D模拟的结果进行SORPAS®3D.testing模拟。

SORPAS®2D3D.link的新附加模块，可以实现以下2个功能：

• 将SORPAS®2D.welding和2D.joining模拟结果转换为3D，并在SORPAS 3D软件系统中以3D图形显示。
• 扩展2D.welding和2D.joining以自动创建3D测试模型并运行3D测试模拟来预测焊接或铆接强度。

此外，SORPAS®3D.testing模拟的结果可以导出到其他软件，例如Abaqus和LS-Dyna。

2D3D.link的过程

在SORPAS®3D.testing中使用2D3D.link创建强度测试的过程非常简单。

1. 您可以在SORPAS®2D.welding或2D.joining中创建焊接/接合仿真
2. 2D3D.link导入2D结果并将其转换为3D仿真模型
3. 转换后的3D仿真模型已连接到SORPAS®3D中的强度测试试样
4. 现在，您可以从这里进行强度测试模拟

SORPAS®2D3D.link的好处

首先，这是提高效率和生产率的问题。当您能够将2D电阻焊接和机械连接模拟的结果直接导入SORPAS®3D.testing时，可以节省进行强度测试的大量时间。

这意味着您现在可以在相当短的时间内进行更多测试。如果您首先使用用于SORPAS®2D的Excel Batch 附加组件来创建多个模拟，则可以轻松地将这些测试导入SORPAS®3D.testing。

这意味着：

1. 进行强度测试时节省时间
2. 受益于SORPAS®2D中所有快速的仿真和优化功能
3. 通过结合Excel Batch附加组件来进行更多强度测试，从而提高生产率
4. 易于进行许多强度测试，并将焊接和强度测试结果导出到SORPAS®3D中的Abaqus中

数字孪生和AI

数字孪生是利用模拟和其他计算机化的数字技术对物理对象，系统或过程的虚拟仿真。数字孪生可用于分析和模拟现实条件下的系统或过程，以适应变化，增加灵活性，优化操作，提高质量，节省时间，降低成本以及增加价值。

数字孪生的概念自21世纪初就出现了。它在过去几年中得到了更多的关注而且发展势头越来越强劲，尤其是自从它在2017年，2018年和2019年连续三年被评为Gartner的十大战略技术趋势之一以来。

关于利用数值模拟和有限元建模来创建数字孪生，已经有许多出版物，演示文稿和论证，但是大多数都集中在产品或系统设计上。要为动态制造过程，例如焊接和连接过程，创建数字孪生面临着更大的挑战，仍有很多工作要做。然而，这对于行业的完全数字化至关重要。

对于制造业而言，数字孪生不是也不应该仅仅是设计。

对于焊接，应创建数字孪生以实现从设计，优化，计划到生产和评估焊接的整个生命周期。这就要求虚拟模型的模拟必须高度精确，并且能够做出可靠的预测和优化。

SORPAS现在准备迎接挑战，为电阻点焊过程的整个生命周期创建第一个焊接数字孪生。

数字双胞胎可延长整个焊接寿命

如图所示，在电阻焊接的整个生命周期中，将创建五个具有不同功能的数字孪生：

• 用于焊接设计的数字孪生
• 用于焊接优化的数字孪生
• 用于焊接计划的数字孪生
• 用于焊接生产的数字孪生
• 用于焊接评估的数字孪生·

SORPAS®通过数字模型和实际数据构建每个数字孪生体，以表示实际的物理焊接过程，包括组件、电极、焊接设备和工作程序。

数字孪生与物理焊接过程进行动态交互是很重要的，尤其是当它们在焊接生产线附近工作时。

为了增强数字双胞胎与物理焊接过程之间的交互作用，还将纳入机器学习和人工智能（AI）。

用于焊接设计的数字孪生是利用板材、焊条和焊接机的几何模型和材料数据构建的。薄片和电极的模型和数据必须真实，才能准确表示真实薄片和电极的形状和材料。利用典型数据可以概括焊接机的模型和数据。在设计阶段，不需要在焊接机动力学和焊接设计之间进行交互。用于焊接设计的数字孪生的主要目的是从所有可能的几何设计选项和可用的材料选择中确定更佳的焊接设计。

用于焊接优化的数字孪生是在用于焊接设计的数字孪生的基础上构建的，其中包括焊接机和控制设备的更多详细数据和规格说明。传感器可包含在物理焊接过程中，通过与物理焊接测试中的实际测量值进行比较来验证数字孪生，以提高数值模拟的准确性。数字孪生用于焊接优化的目的是获得焊接过程窗口并帮助优化和监视物理焊接过程。

用于焊接计划的数字孪生是在用于焊接设计和焊接优化的数字孪生的基础上构建的，目的是为给定的焊接设计、焊接设备和焊接顺序确定特定焊接工艺参数的详细焊接计划。可以建立数字孪生与物理焊接过程之间的动态相互作用。机器学习和人工智能（AI）可以整合到数字孪生中，以提高自主决策能力。

用于焊接生产的数字孪生是在用于焊接设计、焊接优化和焊接计划的数字孪生的基础上构建的，目的是在当任何焊接条件超出范围或对焊接质量、稳定生产造成问题时，以便在焊接生产过程中做出响应。数字孪生应预见并预测焊接问题的所有可能的根本原因，而机器学习和AI将自动识别问题，并做出决定采取反应来解决问题，纠正错误或指出故障。

用于焊接评估的数字孪生模型是通过与所有用于焊接设计、焊接优化、焊接计划和焊接生产的数字孪生模型的连接而构建的，目的是评估焊接质量和焊缝性能。通过预测焊接熔核的大小以及焊接过程中和焊接后影响的材料性能来评估焊接质量。通过预测焊接强度和失效模式来评估焊接性能。

从设计、优化、计划到生产和评估的整个焊接生命周期中，所有的焊接数字孪生都通过交互作用相互连接。这样就可以在设计阶段和随后的所有阶段中评估焊接质量。数字孪生与物理焊接过程之间的相互作用借助机器学习和人工智能（AI）可以进一步提高焊接生产的稳定性并确保最终焊接质量。

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