焊接數(shù)值模擬的研究和發(fā)展

1、焊接數(shù)值模擬文獻(xiàn)綜述摘要焊接作為現(xiàn)代制造業(yè)必不可少的工藝 ，在材料加工領(lǐng)域一直占有重要地位。焊接是一個涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，焊接現(xiàn)象包括焊接時的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變、焊接應(yīng)力和變形等。焊接過程產(chǎn)生的焊接應(yīng)力和變形，不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過程，而且還影響焊接結(jié)構(gòu)的使用性能。這些缺陷的產(chǎn)生主要是焊接時不合理的熱過程引起的。由于高集中的瞬時熱輸入，在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力(焊接殘余應(yīng)力)和變形(焊接殘余變形、焊接收縮、焊接翹曲)，而且焊接過程中產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力影響構(gòu)件的變形和焊接缺陷，而且在一定程度還影響結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸

2、的穩(wěn)定性。因此，在設(shè)計和施工時必須充分考慮焊接應(yīng)力和變形的特點。焊接應(yīng)力和變形是影響焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要問題之一，焊接變形的存在不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過程，而且還影響焊接結(jié)構(gòu)的使用性能。因此對焊接溫度場和應(yīng)力場的定量分析、預(yù)測、模擬具有重要意義。傳統(tǒng)的焊接溫度場和應(yīng)力預(yù)測依賴于試驗和統(tǒng)計基礎(chǔ)上的經(jīng)驗曲線或經(jīng)驗公式。但僅從實驗角度研究焊接熱應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力和變形問題難度很大，無前瞻性，不能全面預(yù)測和分析焊接對整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性影響，客觀評價焊接質(zhì)量。在研究焊接生產(chǎn)技術(shù)時，往往采用試驗手段作為基本方法，但大量的試驗增加了生產(chǎn)成本，耗費(fèi)人力物力，尤其在軍工、航天、潛艇、核反應(yīng)堆等大型重要焊接

3、結(jié)構(gòu)制造過程中，任何嘗試和失敗都將造成重大經(jīng)濟(jì)損失，而數(shù)值模擬將發(fā)揮其獨(dú)特的能力和優(yōu)勢。隨著有限元技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為數(shù)值模擬技術(shù)提供了有力的工具，很多焊接過程可以采用計算機(jī)數(shù)值模擬。隨著差分法、有限元法的不斷完善，焊接熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力模擬分析技術(shù)相應(yīng)的發(fā)展起來。隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展，20世紀(jì)末提出了計算機(jī)模擬的手段，為熱加工包括焊接技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有力的條件。焊接過程數(shù)值模擬可包括以下幾個方面：(1)焊接熱過程；(2)焊縫金屬凝固和焊接接頭相變過程；(3)焊接應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)展過程；(4)非均質(zhì)焊接接頭的力學(xué)行為；(5)焊接熔池液體流動及形狀尺寸；(6)重大結(jié)構(gòu)及其部件的應(yīng)力分析。利用這

4、種方法可以展望21世紀(jì)熱加工的研究模式將轉(zhuǎn)變?yōu)椤袄碚撚嬎銠C(jī)模擬生產(chǎn)”，從而大大提高焊接和材料熱加工的科學(xué)水平，節(jié)約用于實驗研究的人力、財力。焊接變形預(yù)測方法大多基于有限元分析。近年來，隨著計算機(jī)軟、硬件和有限元法的發(fā)展，焊接三維數(shù)值模擬的研究成為該領(lǐng)域的前沿，三維焊接熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力演化虛擬分析技術(shù)也逐漸發(fā)展起來。計算機(jī)硬件的發(fā)展為焊接過程的模擬和工程預(yù)測創(chuàng)造了條件，現(xiàn)在Pc機(jī)的性能己和十幾年前的小型機(jī)、中型機(jī)性能相差無幾，對于簡單的、結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)可以在PC機(jī)上實現(xiàn)其模擬過程。1.焊接溫度場的分析國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r焊接溫度場的準(zhǔn)確計算或測量，是焊接冶金分析和焊接應(yīng)力、應(yīng)變熱彈塑性動態(tài)分

5、析的前提。關(guān)于焊接熱過程的分析，蘇聯(lián)科學(xué)院的Kalin院士對焊接過程傳熱問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，建立了焊接傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)。為了求熱傳導(dǎo)的微分方程的解，他把焊接熱源簡化為點、線、面三種形式的理想熱源，且不考慮材料熱物理性質(zhì)隨溫度的變化以及有限尺寸對解的影響。實際上焊接過程中除了包含由于溫度變化和高溫引起的材料熱物理性能和變化而導(dǎo)致傳熱過程嚴(yán)重的非線性外，還涉及到金屬的熔化、凝固以及液固相傳熱等復(fù)雜現(xiàn)象，因此是非常復(fù)雜的。由于這些假定不符合焊接的實際情況，因此所得到的解與實際測定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的區(qū)域，誤差很大，而這里又恰恰是研究者最為關(guān)心的部位。Adames、木原博和稻埂道夫等

6、人根據(jù)熱傳導(dǎo)微分方程，以大量的實驗為基礎(chǔ)，積累了不同材料、不同厚度、不同焊接線能量以及不同預(yù)熱溫度等測量數(shù)據(jù)，然后從傳熱理論的有關(guān)規(guī)律出發(fā)，經(jīng)過整理、歸納和驗證，最后建立了不同情況下的焊接傳熱公式。這種方法比前者采用數(shù)學(xué)解析法要準(zhǔn)確，但實驗的工作量很大，有確定的應(yīng)用條件和范圍，且可靠性取決于測試手段的精度。1966年wilson和Nicken首次把有限元法用于固體熱傳導(dǎo)的分析計算中。70年代。有限元法才逐漸在焊接溫度場的分析計算中使用。1975年，加拿大的Poley和Hibbert在發(fā)表的文章中，介紹了利用有限元法研究焊接溫度場的工作，編制了可以分析非矩形截面以及常見的單層、雙層U、V型坡口的

7、焊接溫度場計算程序，證實了有限元法研究焊接溫度場的可行性。之后國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究工作。Krmz在1976年的博士論文中專門研究了利用焊接溫度場預(yù)測接頭強(qiáng)度問題，其中分析了非線性溫度場，在二維分析模型中，假定電弧運(yùn)動速度比材料熱擴(kuò)散率高，因此傳到電弧前面的熱量輸出量相對比較小，從而忽略了在電弧運(yùn)動方向的傳熱，這實際上與Rykalin高速移動熱源公式的處理方法是一致的。西安交通大學(xué)唐慕堯等人于1981年編制了有限元熱傳導(dǎo)分析程序，進(jìn)行了薄板焊接準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場的線性計算，其結(jié)果與實驗值吻合。隨后上海交通大學(xué)的陳楚等人對非線性的熱傳導(dǎo)問題進(jìn)行了有限元分析，建立了焊接溫度場的計算模型，編制了

8、相應(yīng)的程序，程序中考慮了材料熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化以及表面散熱的情況，能進(jìn)行固定熱源或移動熱源、薄板或厚板、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)或非準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)二維溫度場的有限元分析。并在脈沖TIG焊接溫度場以及局部干法水下焊接溫度場等方面進(jìn)行了實例分析。對于三維問題，國內(nèi)外也是近十年來才剛開始研究。其原因是焊接過程溫度梯度很大，在空間域內(nèi)，大的溫度梯度導(dǎo)致嚴(yán)重材料非線性，產(chǎn)生求解過程的收斂困難的和解的不穩(wěn)定性；在時間域內(nèi)，大的溫度梯度決定了必須在瞬態(tài)分析時在時間域內(nèi)的離散度加大，導(dǎo)致求解時間步的增加。國內(nèi)上海交通大學(xué)汪建華等人和日本大阪大學(xué)合作對三維焊接溫度場問題進(jìn)行了一系列的有限元研究，探究了焊接溫度場的特點和提高精度的

9、若干途徑，并對幾個實際焊接問題進(jìn)行了三維焊接熱傳導(dǎo)的有限元分析。蔡洪能等人建立了運(yùn)動電弧作用下的表面雙橢圓分布模型基礎(chǔ)上研制了三維瞬態(tài)非線性熱傳導(dǎo)問題的有限元程序，程序中利用分析節(jié)點熱焓的方法對低碳鋼(A3鋼)板的焊接溫度場進(jìn)行了計算，計算結(jié)果和實驗值吻合得很好2.焊接應(yīng)力場的研究歷史和發(fā)展焊接過程中應(yīng)力應(yīng)變的研究工作始于二十世紀(jì)三十年代，但是研究工作只能是定性的和實測性的。五十年代，前蘇聯(lián)學(xué)者奧凱爾布洛母等人在考慮材料機(jī)械性能與溫度之間的相互依賴關(guān)系的情況下，用圖解的形式分析了焊接過程的熱彈塑性性質(zhì)及其動態(tài)過程，并分析了一維條件下對焊接應(yīng)力應(yīng)變的影響。六十年代，由于計算機(jī)的推廣應(yīng)用，對焊接應(yīng)

10、力應(yīng)變的數(shù)值模擬才發(fā)展起來。1961年，Tall等人首先利用計算機(jī)對焊接熱應(yīng)力進(jìn)行計算，編制了一套沿板條中線進(jìn)行堆焊的熱應(yīng)力一維分析程序。1971年，1waki編制了可用于分析板平面堆焊熱應(yīng)力的二維有限元程序，后來Muraki對它做了重大改進(jìn)，擴(kuò)大了這個二維程序的功能，使之可用于對接焊和平板焊過程的熱應(yīng)力分析。日本的上田幸雄等人以有限元為基礎(chǔ)，應(yīng)用材料性能與溫度相關(guān)的熱彈塑性理論，導(dǎo)出了分析焊接熱應(yīng)力所需的各表達(dá)式。此后美國的HDHibbert，EFRvblicki，YIamuk以及美國MIT的KMasubuchil等在焊接殘余應(yīng)力和變形的預(yù)測和控制方面進(jìn)行了許多研究工作。Anderson分析

11、了平板埋弧焊時的熱應(yīng)力，并考慮了相變的影響。進(jìn)入八十年代，有限元技術(shù)日益成熟，人們對焊接應(yīng)力應(yīng)變過程及殘余應(yīng)力的分布規(guī)律的認(rèn)識不斷深入，1985年Jonson等人通過大量的數(shù)值計算，進(jìn)一步提高了預(yù)測焊縫周圍殘余應(yīng)力分布的精度，同時考慮了定位對焊接殘余應(yīng)力分布的影響。Josefcn對薄壁管件焊接殘余應(yīng)力以及回火去應(yīng)力過程的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了研究，并探討了一些調(diào)整焊接殘余應(yīng)力的措施。進(jìn)入九十年代，隨著計算機(jī)性能的進(jìn)一步提高，對焊接應(yīng)力應(yīng)變的研究更深入。1991年Mahin等人在研究中考慮了耦合的熱應(yīng)力問題，其中熱源分布采用實驗矯正的方法進(jìn)行處理，同時考慮熔池對流、輻射及傳熱對溫度分布的影響，其殘余

12、應(yīng)力的計算結(jié)果與采用中子衍射測得的結(jié)果吻合很好。TInoue等研究了伴有相變的溫度變化過程中，溫度、相變、熱應(yīng)力三者之問的藕合效應(yīng)，并提出了在考慮藕合效應(yīng)的條件下本構(gòu)方程的一般形式。1992年加拿大的chen等人對厚板表面重熔時的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了有限元計算，其中考慮了熔化潛熱及凝固過程中固液相轉(zhuǎn)變過渡區(qū)應(yīng)力的變化，其殘余應(yīng)力計算值和實驗值相當(dāng)吻合。美國的shim等人利用平面應(yīng)變熱彈塑性有限元計算了厚板多層焊的殘余應(yīng)力，并對不同坡口形狀的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了比較，揭示了厚板殘余應(yīng)力分布的規(guī)律。1993年，加拿大的chidiac等人研究了厚板焊接過程的應(yīng)力應(yīng)變及殘余應(yīng)力的分布，其中涉及了三維加熱模型，

13、并考慮了顯微組織的變化和晶體生長等情況。加拿大的JGoldak等對從室溫到熔點的焊接熱應(yīng)力進(jìn)行了研究，提出了各溫度段的本構(gòu)方程。另外，與焊接溫度場的有限元分析類似，焊接熱彈塑性有限元分析過去大都局限于二維，三維問題的研究是九十年代才開始的。瑞典的LKarlsson等對大板拼接的焊接應(yīng)力和變形進(jìn)行了研究，還提出了采用輔助熱源防止單面焊終端裂紋的有效方法；90年代則對 板殼結(jié)合的焊接模型進(jìn)行了研究。近來英國焊接研究所開發(fā)了一個“結(jié)構(gòu)變形預(yù)測系統(tǒng)”，可以用來預(yù)測復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接變形。國內(nèi)對焊接應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值分析起步于二十世紀(jì)七十年代，首先是西安交通大學(xué)的樓志文等人把數(shù)值分析應(yīng)用到焊接溫度場和熱彈塑性應(yīng)力

14、場的分析中，編制了熱彈塑性有限元分析程序并對兩個簡單的焊接問題進(jìn)行了分析。接熱傳導(dǎo)的數(shù)值分析方面做了許多工作。進(jìn)入八十年代，編制了熱彈塑性有限元分析程序。上海交通大學(xué)焊接教研室在焊特別是對非線性瞬態(tài)溫度場進(jìn)行了有限元分析，提出了求解非線性熱傳導(dǎo)方程的變步長外推法，并編制了二維熱彈塑性有限元分析程序，計算了平板對接焊時應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過程及殘余應(yīng)力分布。關(guān)橋等人編制了用于進(jìn)行平板軸對稱焊接應(yīng)力應(yīng)變分析的有限元程序，對薄板氫弧點狀熱源的應(yīng)力應(yīng)變過程進(jìn)行了計算，該分析僅限于點狀熱源。孟繁森等人利用迭代解法研制了計算焊接過程應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展程序和圖形顯示程序，分析了板條邊沿堆焊時的應(yīng)力應(yīng)變發(fā)展過程。陳楚等人利

15、用平截面的假設(shè)分析了厚板焊接時的瞬態(tài)拉應(yīng)力以及厚板補(bǔ)焊時的殘余應(yīng)力。劉敏等人研制了三角差分溫度場和軸對稱熱彈塑性有限元程序，計算了1Crl8Ni9Ti和20#鋼圓管對接多層焊接時的應(yīng)力應(yīng)變過程。汪建華把三維問題轉(zhuǎn)化為二維問題利用平面變形熱彈塑性有限元法對厚板的應(yīng)力問題進(jìn)行了分析。西安交通大學(xué)的湯小牛等人針對工程中大量殼體部件的彈塑性問題，編制了穩(wěn)定溫度場和藍(lán)殼單元熱彈塑性應(yīng)力分析程序，計算了異種鋼管(鐵素體102鋼和奧氏體304鋼)焊接殘余應(yīng)力的分布以及焊縫寬度對殘余應(yīng)力的影響。九十年代上海交通大學(xué)與日本大阪大學(xué)對三維焊接應(yīng)力和變形問題進(jìn)行了共同研究，提出了改善計算精度和收斂性的若干途徑，發(fā)展

16、了有關(guān)的三維焊接分析程序，并有不少成功的應(yīng)用實例。研究成果已在預(yù)測核電凝汽器焊接變形、壓縮機(jī)焊接變形、轎車液力變矩器焊接精度控制等方面得到實際應(yīng)用。近年來清華大學(xué)、天津大學(xué)也進(jìn)行了焊接力學(xué)過程的數(shù)值模擬。天津大學(xué)在局部法評定焊接接頭疲勞強(qiáng)度研究中，直接應(yīng)用了局部殘余應(yīng)力分布數(shù)值分析的結(jié)果。清華大學(xué)的蔡志鵬等人，利用Marc軟件，簡化熱源模型，用串熱源模型代替高斯熱源進(jìn)行焊接應(yīng)力應(yīng)變分析，已應(yīng)用于三峽1200 t橋式起重機(jī)主梁焊接變形的控制和大型挖掘機(jī)的工藝設(shè)計中。廣西大學(xué)的黎江用ANSYS對厚板的單道焊及圓筒焊接進(jìn)行溫度場和熱應(yīng)力場的分析計算，獲得了較好的分析結(jié)果。武漢理工大學(xué)的李冬林用ANS

17、YS針對平板堆焊問題進(jìn)行了實例計算，而且結(jié)果與傳統(tǒng)的分析結(jié)果和理論值相吻合鯽。沈陽工業(yè)大學(xué)王長利利用ANSYS針對平板堆焊問題進(jìn)行了實例計算，獲得了較好的研究結(jié)果。華中科技大學(xué)梁曉燕利用ANSYS對中厚板多道焊進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實驗結(jié)果進(jìn)行比較，取得了較好的分析結(jié)果。中國科學(xué)院金屬研究所的呂建民用Marc大型通用非線性有限元分析軟件，探討了溫差形變法消除管道焊接殘余應(yīng)力的機(jī)彈。3.目前的研究方向和焦點3.1單元技術(shù)的開發(fā)單元技術(shù)一直是有限元技術(shù)的核心問題。通過開發(fā)合適的單元技術(shù)是提高有限元計算效率的主要方法。新單元的開發(fā)一般均針對結(jié)構(gòu)的特點而確定，而焊接問題的復(fù)雜性表現(xiàn)在其工藝過程的特點上，

18、因此適用于焊接過程的數(shù)值模擬分析的單元應(yīng)該針對焊接工藝過程而開發(fā)。焊接過程的特點是快速的局部加熱和冷卻及其導(dǎo)致的局部區(qū)域應(yīng)力應(yīng)變的急劇變化，對焊接過程的數(shù)值模擬分析而言，焊縫附近的單元并非在焊接全過程中都經(jīng)歷著復(fù)雜的溫度和應(yīng)力變化，而只是在很短的時間范圍內(nèi)經(jīng)歷了這種變化，因此可以根據(jù)這個特點，開發(fā)新型單元，充分體現(xiàn)單元在大部分時間內(nèi)求解量保持相對穩(wěn)定的特點，簡化計算過程，實現(xiàn)提高計算效率的目的。國外一些研究機(jī)構(gòu)在大型商用軟件ABAQUS的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適于焊接過程的單元技術(shù)，使單元尺寸大幅度增加的同時，仍能夠反應(yīng)焊接過程中的高梯度溫度和應(yīng)力變化，大大地縮短了計算時間，但其技術(shù)細(xì)節(jié)及準(zhǔn)確性等迄今

19、尚無報道。3.2網(wǎng)格劃分技術(shù)焊接時所用的熱源大多是移動熱源。在熱源移動時，整個焊件的溫度、應(yīng)力應(yīng)變隨時間和空間急劇變化，并且同時存在著加熱和冷卻、加載和卸載等現(xiàn)象。在不同時刻和位置，溫度和應(yīng)力應(yīng)變的分布極為不均，若采用均勻網(wǎng)格，勢必引起計算時間的增長或存儲空間的浪費(fèi)。一般的處理方法是，在焊縫及其附近的部位用加密的網(wǎng)格，這樣考慮了在焊縫處溫度梯度變化較大等因素，能夠在保持精度的同時減少網(wǎng)格的數(shù)量。因為只有在熱源附近才有較大的溫度梯度，所以在移動熱源的情況下，離熱源較遠(yuǎn)的其它部位，即使也處于焊縫及其周圍的區(qū)域，也沒有很大的溫度梯度。在這種情況下，如果還采用較密的網(wǎng)格，就會導(dǎo)致大量密網(wǎng)格的同時出現(xiàn)，

20、造成存儲空問的浪費(fèi)，大幅度提高運(yùn)算成本。因此，較理想的方法是，隨著熱源的移動，加密網(wǎng)格也跟著移動，這稱為動態(tài)可逆的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)。它允許根據(jù)自適應(yīng)誤差準(zhǔn)則自動細(xì)化網(wǎng)格，在誤差減小到一定程度后，自動回到細(xì)化前的較稀疏的網(wǎng)格狀態(tài)。這種技術(shù)可有效地處理有移動邊界的場問題，在焊接分析時，可使運(yùn)動的焊槍前沿和熔池等部位始終保持細(xì)密的網(wǎng)格，而焊后逐漸冷卻的焊縫可恢復(fù)稀疏網(wǎng)格。但是焊接過程是一個熟力藕合的過程，在熱彈塑性分析過程中，既需要計算溫度場，又需要計算應(yīng)力應(yīng)變場，這就涉及如何決定誤差判定準(zhǔn)則的問題。因為在計算溫度場時需要加密網(wǎng)格的地方，不一定就是應(yīng)力應(yīng)變場也需要加密網(wǎng)格的地方。在計算的過程中如何兼顧

21、二者，或者分別用不同的判定準(zhǔn)則，目前還處于研究階段。3.3并行計算和分布式并行處理并行計算技術(shù)是目前有限元分析中縮短計算時間的主要手段之一。目前，由于研制新型芯片所需的費(fèi)用越來越龐大，提高計算機(jī)性能的主要方向即為采用并行技術(shù)。但由于并行程序編制的復(fù)雜性及其與硬件的相關(guān)性，目前這方面的進(jìn)展一直較慢。清華大學(xué)的鹿安理等人在Origin2000服務(wù)器上應(yīng)用MARC軟件在并行有限元焊接數(shù)值模擬方面作了較為深入的研究，且取得的顯著的成績。當(dāng)前，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的迅猛發(fā)展，分布式并行處理系統(tǒng)正逐漸成為并行系統(tǒng)的主流。分布式并行處理系統(tǒng)的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在高性能價格比和靈活性上。隨著微機(jī)性能的提高和

22、價格的下降，并行的微處理機(jī)系統(tǒng)吸引了大量數(shù)值計算領(lǐng)域研究人員的興趣，國內(nèi)外人員紛紛進(jìn)行分布式并行微機(jī)系統(tǒng)的研制。國外有的研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)初步完成了階段性的工作，對比結(jié)果表明，分布式并行微處理系統(tǒng)可以達(dá)到極高的計算速度，而價格比同樣性能的并行計算機(jī)至少低一至兩個數(shù)量級。在創(chuàng)造出高性能價格比的同時，分布式并行系統(tǒng)的擴(kuò)展也非常方便，可以隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而擴(kuò)充系統(tǒng)規(guī)模，或在己有的基礎(chǔ)上更新?lián)Q代。因此開發(fā)高性能的分布式并行處理系統(tǒng)，以及在此平臺上運(yùn)行的并行程序，已經(jīng)成為整個數(shù)值計算領(lǐng)域的主流。在分布式并行處理系統(tǒng)的開發(fā)中，高性能數(shù)據(jù)交換開關(guān)和并行操作平臺是兩個關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。3.4動態(tài)區(qū)域分解算法的實現(xiàn)這

23、種方法僅是針對焊接過程的特點而提出的設(shè)想，目前尚未見諸報道。焊縫金屬及附近的全部單元都經(jīng)歷了快速加熱和冷卻的過程，但在任何一個特定的時刻，都只是一小部分單元處于溫度和應(yīng)力急劇變化過程中，而其它單元卻在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)下。同時這些溫度和應(yīng)力急劇變化的單元在不同的時刻是動態(tài)變化的。并行計算中的一個主要方法是區(qū)域分解算法。而這種算法主要是針對結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，因此在求解的全部時間域都是靜態(tài)的，應(yīng)用于焊接過程的數(shù)值模擬中，必然要導(dǎo)致效率的降低，而動態(tài)區(qū)域分解算法針對有限元網(wǎng)格中與求解相關(guān)的各物理量的動態(tài)分布情況，而改變區(qū)域分解方案，則可以避免這種問題，提高計算效率。同時，如果動態(tài)區(qū)域分解算法與網(wǎng)格自適應(yīng)技

24、術(shù)相結(jié)合，可以更進(jìn)一步發(fā)揮兩種方法的優(yōu)點，將計算效率提高幾個數(shù)量級。然而該領(lǐng)域的研究涉及到有限元算法的核心部分，從根本上改變了程序結(jié)構(gòu)，將耗費(fèi)大量的工作。3.5相似理論在焊接過程模擬中的運(yùn)用由于焊接過程的復(fù)雜性，在提高計算效率和精度的同時，有必要引入相似理論。在這方面，清華大學(xué)的鹿安理等人做了大量研究。雖然其最初是為了物理模擬的需要，但由于相似條件的苛刻，在實驗中達(dá)到這一目的是比較困難的，因此鹿安理等人進(jìn)行了初步的將相似理論結(jié)果應(yīng)用于數(shù)值模擬中的研究。理論推導(dǎo)表明，在減少結(jié)構(gòu)尺寸的條件下，熱源的幾何尺寸也要相應(yīng)減小。為了能夠仍然準(zhǔn)確描述溫度場，對結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分也必須相應(yīng)密集，則最終有限元

25、網(wǎng)格中的節(jié)點數(shù)和單元數(shù)與原結(jié)構(gòu)一致，在數(shù)值模擬中花費(fèi)的時間也一致。因此，該相似關(guān)系雖然減小了結(jié)構(gòu)的尺寸，數(shù)值模擬的溫度、位移、和應(yīng)力結(jié)果也完全吻合，但并未達(dá)到減少計算時間的目的，因而還有待進(jìn)一步進(jìn)行相應(yīng)的簡化。4.ANSYS有限元法在焊接溫度場分析中的應(yīng)用焊件中的溫度場分布反映了復(fù)雜的焊接熱過程，它不僅直接通過熱應(yīng)力、熱應(yīng)變而且還間接通過隨金屬狀態(tài)和顯微組織變化引起的相變、應(yīng)變。決定焊縫熔化、結(jié)晶、變形、應(yīng)力等狀況。所以焊接質(zhì)量與溫度場的分布有很大的關(guān)系，焊接溫度場的準(zhǔn)確計算是焊接冶金分析、殘余應(yīng)力與變形計算。以及焊接質(zhì)量控制的前提，以往對焊接溫度場分析大多是通過試驗的方法測量并進(jìn)行定量分析。

26、由于受試驗條件等方面的限制，所得數(shù)據(jù)的精確度并不高。目前，數(shù)值模擬技術(shù)已遍及焊接學(xué)科的各個領(lǐng)域。有限元法是伴隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法發(fā)展起來的結(jié)構(gòu)分析方法，它已廣泛地應(yīng)用于焊接熱傳導(dǎo)、熱彈迥性應(yīng)力和變形分析、焊接結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)分析等。ANSYS軟件是以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE軟件其強(qiáng)大的熱結(jié)構(gòu)耦合及瞬態(tài)、非線性分析能力使其在焊接模擬技術(shù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。ANSYS溫度場模擬主要步驟:(1)前處理包括定義單元類型、輸入材料熱物理屬性、創(chuàng)建幾何實體模型、設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸、生成有限元模型。(2)施加載荷和求解包括定義分析類型、設(shè)定載荷步選項、設(shè)置邊界條件、求解運(yùn)算。(3)后處理ANS

27、YS提供2種后處理方式：通用后處理(POSTl)，可以對模型的某一時刻的結(jié)果列表或圖形顯示；時間歷程后處理（POST26)。可以列表或圖形顯示模型中某一點隨時間的變化結(jié)果。ANSYS在焊接熱模擬過程中建模需注意的幾個問題：材料熱物理性能參數(shù) 金屬材料的物理性能參數(shù)如比熱容、熱導(dǎo)率、彈性模量、屈服應(yīng)力等一般都隨溫度的變化而變化。當(dāng)溫度變化范圍不大時，可采用材料物理性能參數(shù)的平均值進(jìn)行計算。但焊接過程中，焊件局部加熱到很高的溫度，整個焊件溫度變化劇烈如果不考慮材料的物理性能參數(shù)隨溫度的變化那么計算結(jié)果一定會有很大的偏差。所以在焊接溫度場的模擬計算中，一定要給定材料的各項物理性能參數(shù)隨溫度的變化值。但是。許多材料的物理性能參數(shù)在高溫、特別是接近熔化狀態(tài)時還是無法獲取，某些材料僅有室