焊接成形數(shù)值模擬

1、第第5 5章章 焊接熱過程溫度場數(shù)值模擬焊接熱過程溫度場數(shù)值模擬 5.1 5.1 焊接熱過程的特點(diǎn)焊接熱過程的特點(diǎn) 隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，對焊接質(zhì)量的要求隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，對焊接質(zhì)量的要求 也越來越高，而在焊接過程中，溫度場的變化影響其他過也越來越高，而在焊接過程中，溫度場的變化影響其他過 程的變化發(fā)展，并且影響焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，因此人們開始程的變化發(fā)展，并且影響焊接質(zhì)量的優(yōu)劣，因此人們開始 致力與焊接溫度場的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，致力與焊接溫度場的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， 在解析解的基礎(chǔ)上開始了溫度場數(shù)值模擬的研究工作，通在解析解的基礎(chǔ)上開始了溫度場數(shù)值模

2、擬的研究工作，通 過選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)值方法和技巧去求解或模擬科學(xué)和工程中過選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)值方法和技巧去求解或模擬科學(xué)和工程中 的問題，在過去的幾十年里已經(jīng)作出了很大的貢獻(xiàn)并產(chǎn)生的問題，在過去的幾十年里已經(jīng)作出了很大的貢獻(xiàn)并產(chǎn)生 了巨大效應(yīng)。焊接是一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和了巨大效應(yīng)。焊接是一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和 力學(xué)的復(fù)雜過程，要得到一個高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)，必須要力學(xué)的復(fù)雜過程，要得到一個高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)，必須要 控制這些因素。近二十年來，國內(nèi)外研究者都對焊接預(yù)測控制這些因素。近二十年來，國內(nèi)外研究者都對焊接預(yù)測 理論和數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了許多實(shí)理論和數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行

3、了廣泛的研究，并取得了許多實(shí) 用性的成果。用性的成果。 Teaching Materials/Yuandong Li 1 焊接成形數(shù)值模擬 對焊接過程來講為對焊接過程來講為“加熱熔化和冷卻凝固加熱熔化和冷卻凝固”兩個過程，傳兩個過程，傳 熱過程又與以下幾個過程相互影響：焊接時(shí)的物理冶金反熱過程又與以下幾個過程相互影響：焊接時(shí)的物理冶金反 應(yīng)，焊接接頭的固態(tài)相變，焊接接頭的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，焊應(yīng)，焊接接頭的固態(tài)相變，焊接接頭的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，焊 接接頭的質(zhì)量等。因此，對焊接熱過程的模擬具有重大的接接頭的質(zhì)量等。因此，對焊接熱過程的模擬具有重大的 現(xiàn)實(shí)意義。現(xiàn)實(shí)意義。 n預(yù)測焊接熔池的形狀及焊接熱影響區(qū)

4、的大?。活A(yù)測焊接熔池的形狀及焊接熱影響區(qū)的大??； n揭示焊接熱循環(huán)的特征，用工藝手段改進(jìn)熱循環(huán)曲線，并找出最佳揭示焊接熱循環(huán)的特征，用工藝手段改進(jìn)熱循環(huán)曲線，并找出最佳 的焊接熱循環(huán)曲線；的焊接熱循環(huán)曲線； n優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，預(yù)測焊縫及熱影響區(qū)的組織及改善熱影響區(qū)的優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，預(yù)測焊縫及熱影響區(qū)的組織及改善熱影響區(qū)的 組織；組織； n為焊接熱應(yīng)力和變形的計(jì)算提供數(shù)據(jù)。為焊接熱應(yīng)力和變形的計(jì)算提供數(shù)據(jù)。 目前對焊接溫度場的研究主要用到如下三種方法：數(shù)學(xué)解目前對焊接溫度場的研究主要用到如下三種方法：數(shù)學(xué)解 析法（得到一定條件下溫度場的解析解），數(shù)值計(jì)算方法析法（得到一定條件下溫度場的解析解

5、），數(shù)值計(jì)算方法 （得到數(shù)值解）和實(shí)驗(yàn)測定法。（得到數(shù)值解）和實(shí)驗(yàn)測定法。 5.1.1 研究的意義研究的意義 Teaching Materials/Yuandong Li 2 焊接成形數(shù)值模擬 5.1.2 焊接熱過程的特點(diǎn)焊接熱過程的特點(diǎn) 焊接熱過程貫穿整個焊接過程的始終，可以說，一切物理焊接熱過程貫穿整個焊接過程的始終，可以說，一切物理 化學(xué)反應(yīng)過程都是在熱過程中發(fā)生和發(fā)展的。例如，焊接溫化學(xué)反應(yīng)過程都是在熱過程中發(fā)生和發(fā)展的。例如，焊接溫 度場決定了焊接應(yīng)力場和應(yīng)變場，與冶金反應(yīng)、結(jié)晶、相變度場決定了焊接應(yīng)力場和應(yīng)變場，與冶金反應(yīng)、結(jié)晶、相變 過程有著不可分割的聯(lián)系，使之成為影響焊接質(zhì)量的

6、主要因過程有著不可分割的聯(lián)系，使之成為影響焊接質(zhì)量的主要因 素之一。焊接熱過程的準(zhǔn)確計(jì)算和測量是進(jìn)行冶金分析，焊素之一。焊接熱過程的準(zhǔn)確計(jì)算和測量是進(jìn)行冶金分析，焊 接應(yīng)力應(yīng)變分析和對焊接過程進(jìn)行控制的前提。然而，焊接接應(yīng)力應(yīng)變分析和對焊接過程進(jìn)行控制的前提。然而，焊接 過程的傳熱問題十分復(fù)雜，它的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方過程的傳熱問題十分復(fù)雜，它的特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下幾個方 面：面： 焊接熱過程的局部集中性焊接熱過程的局部集中性 焊接熱過程的瞬時(shí)性焊接熱過程的瞬時(shí)性 焊接熱源的運(yùn)動性焊接熱源的運(yùn)動性 Teaching Materials/Yuandong Li 3 焊接成形數(shù)值模擬 焊接熱過程

7、的局部集中性焊接熱過程的局部集中性 焊接熱源焊接熱源 Arc Welding Teaching Materials/Yuandong Li 4 焊接成形數(shù)值模擬 焊接熱過程的局部集中性焊接熱過程的局部集中性 焊接熱源焊接熱源 Tungsten Inert Gas (TIG) Teaching Materials/Yuandong Li 5 焊接成形數(shù)值模擬 焊接熱過程的局部集中性焊接熱過程的局部集中性 焊接熱源焊接熱源 Metal Inert Gas (MIG) welding is a flat arc process (constant) voltage. Also known as Me

8、tal Active Gas (MAG); CO2; Teaching Materials/Yuandong Li 6 焊接成形數(shù)值模擬 焊接熱過程的局部集中性焊接熱過程的局部集中性 焊接熱源焊接熱源 heat source Teaching Materials/Yuandong Li 7 焊接成形數(shù)值模擬 焊接熱過程的局部集中性焊接熱過程的局部集中性 焊接熱源焊接熱源 3D conical Gaussian heat source Teaching Materials/Yuandong Li 8 焊接成形數(shù)值模擬 焊接熱過程的局部集中性焊接熱過程的局部集中性 焊接熱過程是局部的，也就是說，工

9、件在焊接時(shí)的加焊接熱過程是局部的，也就是說，工件在焊接時(shí)的加 熱不是整體的，而是在熱源作用下的附近地區(qū)，加熱極不熱不是整體的，而是在熱源作用下的附近地區(qū)，加熱極不 均勻。焊接使用的熱源熱量比較集中，功率密度比較大，均勻。焊接使用的熱源熱量比較集中，功率密度比較大， 相對加熱面積比較?。辉诤附犹幍臏囟群芨?，加熱速度很相對加熱面積比較小；在焊接處的溫度很高，加熱速度很 快。例如鎢極氬弧焊（快。例如鎢極氬弧焊（TIG焊），用焊），用840J/的線能量來焊的線能量來焊 接接1厚的鋼板時(shí)，加熱速度為厚的鋼板時(shí)，加熱速度為1700/s，焊接熔池的中心焊接熔池的中心 溫度很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了被焊金屬的熔點(diǎn)，整個

10、焊接熔池基溫度很高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了被焊金屬的熔點(diǎn)，整個焊接熔池基 本上處于過熱狀態(tài)；一般電弧焊熔池的平均溫度在本上處于過熱狀態(tài)；一般電弧焊熔池的平均溫度在1700 1800之間，熔滴的溫度一般高達(dá)之間，熔滴的溫度一般高達(dá)18002400，而熔合，而熔合 區(qū)的溫度為被焊金屬的熔點(diǎn)。區(qū)的溫度為被焊金屬的熔點(diǎn)。 Teaching Materials/Yuandong Li 9 焊接成形數(shù)值模擬 焊接熱過程的瞬時(shí)性焊接熱過程的瞬時(shí)性 焊接熱過程具有瞬時(shí)性，在高度集中熱源的作用下，加熱速度極快（在電焊接熱過程具有瞬時(shí)性，在高度集中熱源的作用下，加熱速度極快（在電 弧焊情況下，可達(dá)弧焊情況下，可達(dá)1500 /

11、s以上），也就是說，在很短的時(shí)間內(nèi)把大量的以上），也就是說，在很短的時(shí)間內(nèi)把大量的 熱由熱源傳遞給焊件。顯然這與熱處理?xiàng)l件下工件緩慢均勻加熱的傳熱過熱由熱源傳遞給焊件。顯然這與熱處理?xiàng)l件下工件緩慢均勻加熱的傳熱過 程有很大的區(qū)別。程有很大的區(qū)別。 Teaching Materials/Yuandong Li 10 焊接成形數(shù)值模擬 焊接熱源的運(yùn)動性焊接熱源的運(yùn)動性 焊接傳熱過程中，熱源相對于工件是運(yùn)焊接傳熱過程中，熱源相對于工件是運(yùn) 動的。焊接時(shí)，工件受熱的區(qū)域在不斷發(fā)動的。焊接時(shí)，工件受熱的區(qū)域在不斷發(fā) 生變化。當(dāng)焊接熱源接近焊件上的某一點(diǎn)生變化。當(dāng)焊接熱源接近焊件上的某一點(diǎn) 時(shí)，該點(diǎn)迅速被

12、加熱至熔化，而當(dāng)熱源逐時(shí)，該點(diǎn)迅速被加熱至熔化，而當(dāng)熱源逐 漸遠(yuǎn)離時(shí)，該點(diǎn)的溫度又會降低。因此，漸遠(yuǎn)離時(shí)，該點(diǎn)的溫度又會降低。因此， 焊接傳熱過程實(shí)際上是一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程。焊接傳熱過程實(shí)際上是一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程。 焊接熔池中的液體金屬不是靜止不動焊接熔池中的液體金屬不是靜止不動 的，而是強(qiáng)烈運(yùn)動著的，并進(jìn)行著一系列的，而是強(qiáng)烈運(yùn)動著的，并進(jìn)行著一系列 的物理化學(xué)反應(yīng)。也就是說，在熔池內(nèi)部的物理化學(xué)反應(yīng)。也就是說，在熔池內(nèi)部 ，傳熱過程以對流為主，而在熔池外部，傳熱過程以對流為主，而在熔池外部， 以固體導(dǎo)熱為主。此外，在工件表面上，以固體導(dǎo)熱為主。此外，在工件表面上， 還有空氣的對流換熱及輻射換熱。因

13、此，還有空氣的對流換熱及輻射換熱。因此， 焊接熱過程涉及到各種熱傳遞方式，是復(fù)焊接熱過程涉及到各種熱傳遞方式，是復(fù) 合傳熱問題。合傳熱問題。 Teaching Materials/Yuandong Li 11 焊接成形數(shù)值模擬 5.2 焊接溫度場數(shù)學(xué)解析焊接溫度場數(shù)學(xué)解析 5.2.1焊接溫度場數(shù)學(xué)解析的假定條件焊接溫度場數(shù)學(xué)解析的假定條件 由于焊件尺寸形狀多種多樣，焊接熱源的作用情況也有很大由于焊件尺寸形狀多種多樣，焊接熱源的作用情況也有很大 的差異，對焊接溫度場分析影響很大，如何確定求解條件相的差異，對焊接溫度場分析影響很大，如何確定求解條件相 當(dāng)困難，因此進(jìn)行以下幾方面的假定：當(dāng)困難，因此

14、進(jìn)行以下幾方面的假定： 1 1 焊件尺寸形狀焊件尺寸形狀 對焊件尺寸形狀的假設(shè)，可概括為三種模型：對焊件尺寸形狀的假設(shè)，可概括為三種模型： a)a)半無限大物體（圖半無限大物體（圖5-1-1（a a） x,y,z x,y,z三個方向空間導(dǎo)熱三個方向空間導(dǎo)熱 ，厚板表面堆焊可視為這種情況；，厚板表面堆焊可視為這種情況； b)b)無限大薄板（圖無限大薄板（圖5-1-1（b b） x,y x,y兩個方向?qū)幔“鍖蓚€方向?qū)?，薄板?接焊接屬于這種情況；接焊接屬于這種情況； c)c)無限長細(xì)桿（圖無限長細(xì)桿（圖5-15-1（c c） 只在只在x x一個方向線性導(dǎo)熱，一個方向線性導(dǎo)熱， 鋼筋及棒料焊

15、件端接可視為這種情況。鋼筋及棒料焊件端接可視為這種情況。 Teaching Materials/Yuandong Li 12 焊接成形數(shù)值模擬 圖圖51焊件及熱源形式焊件及熱源形式 （a）半無限大物體，點(diǎn)狀熱源；（半無限大物體，點(diǎn)狀熱源；（b）無限大薄板，線無限大薄板，線 狀熱源；（狀熱源；（c）無限長細(xì)桿，面狀熱源無限長細(xì)桿，面狀熱源 Teaching Materials/Yuandong Li 13 焊接成形數(shù)值模擬 2 焊接熱源焊接熱源 假定焊接熱源一律視為瞬時(shí)作用于微元體上的集中熱源，假定焊接熱源一律視為瞬時(shí)作用于微元體上的集中熱源， 對應(yīng)于焊件形式的假定有三種典型熱源：對應(yīng)于焊件形式

16、的假定有三種典型熱源： a)點(diǎn)狀熱源點(diǎn)狀熱源 在半無限大物體中的三維導(dǎo)熱的熱源（圖在半無限大物體中的三維導(dǎo)熱的熱源（圖5-15-1 （a a）,T=f(x,y,z,t),T=f(x,y,z,t)； b)線狀熱源線狀熱源 在無限大薄板中的二維導(dǎo)熱的熱源（圖在無限大薄板中的二維導(dǎo)熱的熱源（圖5-15-1 （b b），），T=f(x,y,t)T=f(x,y,t)； c)面狀熱源面狀熱源 在無限長細(xì)桿中的一維導(dǎo)熱的熱源（圖在無限長細(xì)桿中的一維導(dǎo)熱的熱源（圖5-15-1 （c c），），T=f(x,t)T=f(x,t)； 3 邊界條件邊界條件 邊界條件規(guī)定：半無限大物體的上表面為絕熱面，即熱源邊界條件規(guī)

17、定：半無限大物體的上表面為絕熱面，即熱源 的能量全部向物體內(nèi)部傳導(dǎo)；無限大薄板的上下表面及無的能量全部向物體內(nèi)部傳導(dǎo)；無限大薄板的上下表面及無 限長細(xì)桿的周圍均與介質(zhì)發(fā)生熱交換，即表面散熱。限長細(xì)桿的周圍均與介質(zhì)發(fā)生熱交換，即表面散熱。 Teaching Materials/Yuandong Li 14 焊接成形數(shù)值模擬 4 相變潛熱相變潛熱 假定在相變時(shí)無潛熱產(chǎn)生，即除焊接熱源以外，再無其他假定在相變時(shí)無潛熱產(chǎn)生，即除焊接熱源以外，再無其他 任何熱的來源。任何熱的來源。 5 熱源能量熱源能量 假定焊接熱源在單位時(shí)間內(nèi)放出的能量假定焊接熱源在單位時(shí)間內(nèi)放出的能量q q在整個焊接過程中在整個焊接

18、過程中 保持恒定；除固定位置的補(bǔ)焊或點(diǎn)焊外，熱源應(yīng)保持直線保持恒定；除固定位置的補(bǔ)焊或點(diǎn)焊外，熱源應(yīng)保持直線 等速運(yùn)動。等速運(yùn)動。 6 熱源作用效果熱源作用效果 假定熱源在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的熱的作用效果，可認(rèn)為是假定熱源在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的熱的作用效果，可認(rèn)為是 相繼瞬時(shí)作用于各不同點(diǎn)的無數(shù)集中熱源連續(xù)作用的總和，相繼瞬時(shí)作用于各不同點(diǎn)的無數(shù)集中熱源連續(xù)作用的總和， 而多個瞬時(shí)熱源相互之間不發(fā)生影響。而多個瞬時(shí)熱源相互之間不發(fā)生影響。 7 材料熱物理性能參數(shù)材料熱物理性能參數(shù) 材料的熱物理性能參數(shù)如材料的熱物理性能參數(shù)如,c,c等與溫度無關(guān)，為常數(shù)。等與溫度無關(guān)，為常數(shù)。 Teaching M

19、aterials/Yuandong Li 15 焊接成形數(shù)值模擬 5.2.2瞬時(shí)熱源的熱傳導(dǎo)方程瞬時(shí)熱源的熱傳導(dǎo)方程 T z T y T x T Ct T p 2 2 2 2 2 2 2 2：拉普拉斯運(yùn)算符號； 2T：函數(shù)T(x,y,z)沿x,y,z軸的三個二次偏導(dǎo)函數(shù)之和， 根據(jù)上述所作的假定，以瞬時(shí)熱源為基礎(chǔ)，利用熱根據(jù)上述所作的假定，以瞬時(shí)熱源為基礎(chǔ)，利用熱 傳導(dǎo)偏微分方程求解特解的一般表達(dá)式。傳導(dǎo)偏微分方程求解特解的一般表達(dá)式。 熱傳導(dǎo)的基本方程為熱傳導(dǎo)的基本方程為 (5-2) Teaching Materials/Yuandong Li 16 焊接成形數(shù)值模擬 以瞬時(shí)集中熱源為定解條

20、件，則熱傳導(dǎo)方程的特解的一般表以瞬時(shí)集中熱源為定解條件，則熱傳導(dǎo)方程的特解的一般表 達(dá)式為達(dá)式為 (5-3) 式中，式中，r r：所研究的給定點(diǎn)所研究的給定點(diǎn)p p距熱源作用點(diǎn)距熱源作用點(diǎn)o o的距離（），的距離（）， n n：常數(shù)（見表常數(shù)（見表5-1-1），），Q Q：焊件瞬時(shí)獲得的熱能焊件瞬時(shí)獲得的熱能( (J)J)。 表表51 1 式（式（53 3）中的）中的r,nr,n和和Q Q的值的值 t r tC Q trT n p 4 exp 4 , 2 2 熱源形式熱源形式 Q n r 點(diǎn)熱源點(diǎn)熱源 qt 3 線熱源線熱源 qt /h 2 面熱源面熱源 qt /A 1x 222 zyx 22

21、 yx 注：注：h：薄板厚度，薄板厚度，A：細(xì)長桿橫截面積細(xì)長桿橫截面積 Teaching Materials/Yuandong Li 17 焊接成形數(shù)值模擬 常見點(diǎn)熱源及線熱源的溫度場討論常見點(diǎn)熱源及線熱源的溫度場討論 1 點(diǎn)熱源的特解點(diǎn)熱源的特解 設(shè)在半無限大物體內(nèi)部某一微元體設(shè)在半無限大物體內(nèi)部某一微元體dxdydz上作用有一個點(diǎn)上作用有一個點(diǎn) 熱源，在熱源，在t=0的瞬時(shí)提供的有限熱能的瞬時(shí)提供的有限熱能Q=qt。熱能以熱源作熱能以熱源作 用點(diǎn)為中心，均勻地向周圍傳導(dǎo)。假設(shè)在用點(diǎn)為中心，均勻地向周圍傳導(dǎo)。假設(shè)在t=0時(shí)物體的初始時(shí)物體的初始 溫度溫度T0=0，微元體微元體dxdydz中

22、的熱能可以使其溫度升高到中的熱能可以使其溫度升高到T， 則則 (5-4) 在這種初始條件下，點(diǎn)熱源的特解為在這種初始條件下，點(diǎn)熱源的特解為 (5-5) t r tC Q trT p 4 exp 4 , 2 2 3 dxdydz C Q T p Teaching Materials/Yuandong Li 18 焊接成形數(shù)值模擬 如果熱源瞬時(shí)作用于如果熱源瞬時(shí)作用于 半無限大物體，如圖半無限大物體，如圖5 5 2 2中的中的abcdabcd表面上的表面上的 o o點(diǎn)并假定此表面為絕點(diǎn)并假定此表面為絕 熱面，則該點(diǎn)受到熱熱面，則該點(diǎn)受到熱 源作用的溫度將為無源作用的溫度將為無 限大物體內(nèi)部熱源作限

23、大物體內(nèi)部熱源作 用時(shí)的一倍，則式（用時(shí)的一倍，則式（5 5 5 5）為）為 圖圖5 52 半無限大物體上表面的瞬半無限大物體上表面的瞬 時(shí)熱源時(shí)熱源 t r tC tq trT p 4 exp 4 , 2 2 3(5-6) (5-6) 式中式中 222 zyxr Teaching Materials/Yuandong Li 19 焊接成形數(shù)值模擬 根據(jù)上式的計(jì)算結(jié)果，該點(diǎn)熱源溫度場及其變化如圖根據(jù)上式的計(jì)算結(jié)果，該點(diǎn)熱源溫度場及其變化如圖5 53所示。所示。 圖圖5 53 半無限大物體上表面點(diǎn)熱源瞬時(shí)作用的結(jié)果半無限大物體上表面點(diǎn)熱源瞬時(shí)作用的結(jié)果 顯然，離中心越近，峰值溫度越高，且達(dá)到峰值

24、溫度的時(shí)間越短。顯然，離中心越近，峰值溫度越高，且達(dá)到峰值溫度的時(shí)間越短。 Teaching Materials/Yuandong Li 20 焊接成形數(shù)值模擬 2 線熱源的特解線熱源的特解 線熱源可以看作無數(shù)點(diǎn)熱源同時(shí)沿線熱源可以看作無數(shù)點(diǎn)熱源同時(shí)沿z z軸作用的結(jié)果。當(dāng)板厚軸作用的結(jié)果。當(dāng)板厚 為為h h時(shí)，輸入的能量為時(shí)，輸入的能量為Q/hQ/h，則線熱源的特解為則線熱源的特解為 t r htC tq trT p 4 exp 4 , 2 22 yxr ( (5-7)5-7)式中式中 Teaching Materials/Yuandong Li 21 焊接成形數(shù)值模擬 3 熱源運(yùn)動時(shí)的溫度

25、場解析 上面所討論的點(diǎn)熱源及線熱源的特解為瞬上面所討論的點(diǎn)熱源及線熱源的特解為瞬 時(shí)集中作用下的溫度場數(shù)學(xué)解析，下面分析時(shí)集中作用下的溫度場數(shù)學(xué)解析，下面分析 熱源運(yùn)動時(shí)的焊接溫度場的數(shù)學(xué)解析。熱源運(yùn)動時(shí)的焊接溫度場的數(shù)學(xué)解析。 1) 1) 厚板堆焊時(shí)的溫度場厚板堆焊時(shí)的溫度場 厚板堆焊時(shí)的溫度場分為以下兩種情況予厚板堆焊時(shí)的溫度場分為以下兩種情況予 以討論：以討論： a. 正常速度運(yùn)動時(shí)正常速度運(yùn)動時(shí) Teaching Materials/Yuandong Li 22 焊接成形數(shù)值模擬 圖圖54 半無限大物體上運(yùn)動點(diǎn)熱源的坐標(biāo)系半無限大物體上運(yùn)動點(diǎn)熱源的坐標(biāo)系 如圖如圖54所示，假定熱所示，

26、假定熱 源移動的方向與源移動的方向與x軸正軸正 方向一致，移動速度為方向一致，移動速度為 v（/s），），熱源能量為熱源能量為 q（J/s），），焊件初始溫焊件初始溫 度度T0=0，O0為熱源作用為熱源作用 開始點(diǎn)，當(dāng)熱源經(jīng)開始點(diǎn)，當(dāng)熱源經(jīng)t時(shí)間時(shí)間 后運(yùn)動到后運(yùn)動到O點(diǎn)時(shí)，工件點(diǎn)時(shí)，工件 上任一點(diǎn)上任一點(diǎn)P(x,y,z)的溫度的溫度 應(yīng)為應(yīng)為T(x0,y0,z0,t)。利用利用 瞬時(shí)熱源法進(jìn)行解析，瞬時(shí)熱源法進(jìn)行解析， 可得此時(shí)的特解為：可得此時(shí)的特解為： rx r q rT 2 exp 2 (5-8) Teaching Materials/Yuandong Li 23 焊接成形數(shù)值模擬 圖

27、圖55 半無限大物體表面上運(yùn)動點(diǎn)熱源的溫度場半無限大物體表面上運(yùn)動點(diǎn)熱源的溫度場 q=4200J/s,v=0.1/s,=0.422/s, =0.42J/(.s.) 從圖中可以看出，焊件上傳熱過程已達(dá)到極限飽和狀態(tài)時(shí)，溫度場處于準(zhǔn)穩(wěn)從圖中可以看出，焊件上傳熱過程已達(dá)到極限飽和狀態(tài)時(shí)，溫度場處于準(zhǔn)穩(wěn) 態(tài)，即溫度場隨熱源以速度態(tài)，即溫度場隨熱源以速度v運(yùn)動，此時(shí)距熱源運(yùn)動，此時(shí)距熱源r處點(diǎn)的溫度與時(shí)間無關(guān)。處點(diǎn)的溫度與時(shí)間無關(guān)。 Teaching Materials/Yuandong Li 24 焊接成形數(shù)值模擬 b b高速運(yùn)動時(shí)高速運(yùn)動時(shí) 從式（從式（58）可以看出，焊接參數(shù)對溫度場有很大的影響。

28、）可以看出，焊接參數(shù)對溫度場有很大的影響。 在此首先分析當(dāng)熱源的能量在此首先分析當(dāng)熱源的能量q或線能量或線能量E一定的情況下，焊一定的情況下，焊 接速度對高溫（以接速度對高溫（以1500為例）等溫線的影響，如圖為例）等溫線的影響，如圖5-6， 5-7所示。所示。 圖圖56 焊接速度對焊接速度對1500 等等 溫線形狀的影響溫線形狀的影響(E=40000J/s) 圖圖57 焊接速度對焊接速度對1500等溫線等溫線 形狀的影響（形狀的影響（q=20000J/s） Teaching Materials/Yuandong Li 25 焊接成形數(shù)值模擬 由圖中可以得出，當(dāng)由圖中可以得出，當(dāng)q一定時(shí)，增大

29、一定時(shí)，增大v，使得等溫線橫向使得等溫線橫向 明顯變窄，熱源前方的長度縮短，后方的長度不變。明顯變窄，熱源前方的長度縮短，后方的長度不變。 即焊接速度增大時(shí)，處于即焊接速度增大時(shí)，處于1500以上的熔合區(qū)寬度將以上的熔合區(qū)寬度將 急劇減小，成為細(xì)而短的窄條形狀。當(dāng)急劇減小，成為細(xì)而短的窄條形狀。當(dāng)E一定時(shí)，熔合一定時(shí)，熔合 區(qū)的寬度幾乎不變，而長度明顯增長。綜上所述，可區(qū)的寬度幾乎不變，而長度明顯增長。綜上所述，可 以把高速運(yùn)動時(shí)的焊接看作是無限大薄板中作用于板以把高速運(yùn)動時(shí)的焊接看作是無限大薄板中作用于板 邊的瞬時(shí)線熱源的傳熱過程，其近似解為邊的瞬時(shí)線熱源的傳熱過程，其近似解為 t v t

30、E rT 4 exp 2 2 22 yxr （5 59 9）式中）式中 , t=x/v. Teaching Materials/Yuandong Li 26 焊接成形數(shù)值模擬 2) 2) 薄板熔透對接的溫度場薄板熔透對接的溫度場 對這種情況的解析解與點(diǎn)熱源的情況一樣。從實(shí) 用的角度出發(fā)，只分析高速運(yùn)動熱源的近似解。 當(dāng)焊速相當(dāng)大時(shí)，由于熱能只能橫向傳播，因而 可以把線狀熱源看成是面狀熱源在矩形桿中的瞬 時(shí)作用，其近似解為 （510） t y tC h E rT p 4 exp 2 2 2 1 式中，式中，t為從熱源到達(dá)所求點(diǎn)為從熱源到達(dá)所求點(diǎn)P所在截面時(shí)開始算起的時(shí)間。所在截面時(shí)開始算起的時(shí)間

31、。 Teaching Materials/Yuandong Li 27 焊接成形數(shù)值模擬 5.2.3焊接溫度場數(shù)學(xué)解析的局限性焊接溫度場數(shù)學(xué)解析的局限性 焊接溫度場的數(shù)學(xué)解析是在經(jīng)典的雷卡林公式的基礎(chǔ)上建立焊接溫度場的數(shù)學(xué)解析是在經(jīng)典的雷卡林公式的基礎(chǔ)上建立 的，而雷卡林公式是在一些不合理的假設(shè)條件的基礎(chǔ)上推導(dǎo)的，而雷卡林公式是在一些不合理的假設(shè)條件的基礎(chǔ)上推導(dǎo) 出來的，這些條件為：出來的，這些條件為： 1. 熱源的假定：熱源的假定：熱源集中于一點(diǎn)、一線或一面；熱源集中于一點(diǎn)、一線或一面； 2. 忽略了材料的相變：忽略了材料的相變：材料無論在什么溫度下都是固材料無論在什么溫度下都是固 體，不發(fā)

32、生相變；體，不發(fā)生相變； 3.熱物性參數(shù)假定為常數(shù)：熱物性參數(shù)假定為常數(shù)： 材料的熱物理性能參數(shù)不材料的熱物理性能參數(shù)不 隨溫度發(fā)生變化，為一定值；隨溫度發(fā)生變化，為一定值； 4. 焊接尺寸是假定：焊接尺寸是假定：焊件的尺寸是無限的（對應(yīng)于點(diǎn)焊件的尺寸是無限的（對應(yīng)于點(diǎn) 熱源和線熱源，焊接試件分別為半無限大物體和無熱源和線熱源，焊接試件分別為半無限大物體和無 限大薄板）；限大薄板）； Teaching Materials/Yuandong Li 28 焊接成形數(shù)值模擬 5. 5. 熱源運(yùn)動性的假設(shè)：分析熱源運(yùn)動時(shí)，只分析進(jìn)入準(zhǔn)熱源運(yùn)動性的假設(shè)：分析熱源運(yùn)動時(shí)，只分析進(jìn)入準(zhǔn) 穩(wěn)態(tài)時(shí)的情況，未考慮

33、在有限尺寸下的初始階段和最終階穩(wěn)態(tài)時(shí)的情況，未考慮在有限尺寸下的初始階段和最終階 段的溫度場，而這一點(diǎn)對有限尺寸的焊件非常重要，因?yàn)槎蔚臏囟葓?，而這一點(diǎn)對有限尺寸的焊件非常重要，因?yàn)?對有限尺寸焊件，焊接溫度場可能不會進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。對有限尺寸焊件，焊接溫度場可能不會進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。 這些假設(shè)條件與焊接傳熱過程的實(shí)際情況有較大的差異，這些假設(shè)條件與焊接傳熱過程的實(shí)際情況有較大的差異， 致使距離熱源較遠(yuǎn)的部位的溫度計(jì)算發(fā)生了極大的偏差，致使距離熱源較遠(yuǎn)的部位的溫度計(jì)算發(fā)生了極大的偏差， 而這里恰恰是我們最關(guān)心的部位。從工藝上來講，確定熔而這里恰恰是我們最關(guān)心的部位。從工藝上來講，確定熔 化區(qū)域的

34、尺寸及形狀是十分有意義的；從冶金上講，相變化區(qū)域的尺寸及形狀是十分有意義的；從冶金上講，相變 點(diǎn)以上的加熱范圍是研究的重點(diǎn)。點(diǎn)以上的加熱范圍是研究的重點(diǎn)。 Teaching Materials/Yuandong Li 29 焊接成形數(shù)值模擬 由于焊接過程的經(jīng)典理論公式給不出令人滿意的結(jié)果，許由于焊接過程的經(jīng)典理論公式給不出令人滿意的結(jié)果，許 多研究者試圖在經(jīng)典雷卡林公式的基礎(chǔ)上，針對其不合理多研究者試圖在經(jīng)典雷卡林公式的基礎(chǔ)上，針對其不合理 的假設(shè)條件，對其從某一方面進(jìn)行修正和改進(jìn)。但由于不的假設(shè)條件，對其從某一方面進(jìn)行修正和改進(jìn)。但由于不 能從根本上避免這些解析式賴以存在的不合理假設(shè)條件，能

35、從根本上避免這些解析式賴以存在的不合理假設(shè)條件， 因而進(jìn)展不大。而數(shù)值分析法可以從根本上避免雷卡林公因而進(jìn)展不大。而數(shù)值分析法可以從根本上避免雷卡林公 式所固有的缺陷，處理各種復(fù)雜的邊界條件、熱源的分布式所固有的缺陷，處理各種復(fù)雜的邊界條件、熱源的分布 及熱物理性能參數(shù)的非線形等許多問題，加之高速計(jì)算機(jī)及熱物理性能參數(shù)的非線形等許多問題，加之高速計(jì)算機(jī) 的迅速發(fā)展，使得數(shù)值分析法在焊接熱過程的分析中得到的迅速發(fā)展，使得數(shù)值分析法在焊接熱過程的分析中得到 了越來越廣泛的應(yīng)用。了越來越廣泛的應(yīng)用。 Teaching Materials/Yuandong Li 30 焊接成形數(shù)值模擬 5.3焊接溫度

36、場數(shù)值模擬焊接溫度場數(shù)值模擬 焊接溫度場的數(shù)值模擬實(shí)質(zhì)上就是對焊接焊接溫度場的數(shù)值模擬實(shí)質(zhì)上就是對焊接 傳熱過程的數(shù)值模擬加上對焊接熱源的作傳熱過程的數(shù)值模擬加上對焊接熱源的作 用效果，邊界條件及焊接過程中熔化和凝用效果，邊界條件及焊接過程中熔化和凝 固潛熱的正確處理。而這些正是數(shù)學(xué)解析固潛熱的正確處理。而這些正是數(shù)學(xué)解析 法不能合理處理而需要作出補(bǔ)充的原因。法不能合理處理而需要作出補(bǔ)充的原因。 下面主要介紹焊接過程中所涉及到的這些下面主要介紹焊接過程中所涉及到的這些 特殊問題的處理方法。特殊問題的處理方法。 Teaching Materials/Yuandong Li 31 焊接成形數(shù)值模擬

37、 5.3.1焊接熱源的處理焊接熱源的處理 實(shí)現(xiàn)金屬焊接所需的能量，從基本性質(zhì)來看，主要是熱能實(shí)現(xiàn)金屬焊接所需的能量，從基本性質(zhì)來看，主要是熱能 和機(jī)械能。對于熔化焊接主要是熱能。隨著科學(xué)技術(shù)的不和機(jī)械能。對于熔化焊接主要是熱能。隨著科學(xué)技術(shù)的不 斷進(jìn)步，生產(chǎn)規(guī)模日益發(fā)展的過程中，總是不斷的出現(xiàn)新斷進(jìn)步，生產(chǎn)規(guī)模日益發(fā)展的過程中，總是不斷的出現(xiàn)新 的材料和新的結(jié)構(gòu)，并且提出更高的要求，這就需要不斷的材料和新的結(jié)構(gòu)，并且提出更高的要求，這就需要不斷 的開發(fā)新的焊接熱源和新的焊接工藝。從發(fā)展的趨勢來看，的開發(fā)新的焊接熱源和新的焊接工藝。從發(fā)展的趨勢來看， 焊接逐步向高質(zhì)量，高效率，降低勞動強(qiáng)度，降低

38、能量消焊接逐步向高質(zhì)量，高效率，降低勞動強(qiáng)度，降低能量消 耗的方向發(fā)展，從這一點(diǎn)出發(fā)，作為焊接熱源應(yīng)該是：熱耗的方向發(fā)展，從這一點(diǎn)出發(fā)，作為焊接熱源應(yīng)該是：熱 量高度集中，快速實(shí)現(xiàn)焊接過程，并保證得到高質(zhì)量的焊量高度集中，快速實(shí)現(xiàn)焊接過程，并保證得到高質(zhì)量的焊 縫和最小的焊接熱影響區(qū)?？p和最小的焊接熱影響區(qū)。 根據(jù)上述要求，能滿足焊接條件的熱源有以下幾種：電弧根據(jù)上述要求，能滿足焊接條件的熱源有以下幾種：電弧 熱，化學(xué)熱，電阻熱，摩擦熱，等離子焰，電子束，激光熱，化學(xué)熱，電阻熱，摩擦熱，等離子焰，電子束，激光 束等。每種熱源都有它本身的特點(diǎn)。一些常用熱源的主要束等。每種熱源都有它本身的特點(diǎn)。一

39、些常用熱源的主要 特性見表特性見表5 5-2。 Teaching Materials/Yuandong Li 32 焊接成形數(shù)值模擬 表表52 各種熱源的主要特性各種熱源的主要特性 熱源最小加熱面 積() 最 大 功 率 密 度 （W.-2） 正 常 焊 接 規(guī) 范下的溫度 乙炔火焰10-221033200 金屬極電弧10-81046000 鎢極氬弧(TIG) 10-81.51048000 埋弧自動焊接 10-821046400 電渣焊10-81042000 熔化極氬弧 10-4104105 CO2氣保焊 等離子弧10-61.51051 8 0 0 0 24000K 電子束10-7 10710

40、9 激光10-9 Teaching Materials/Yuandong Li 33 焊接成形數(shù)值模擬 焊接熱效率焊接熱效率 焊接過程中，通過電弧將電能轉(zhuǎn)化為加熱熔化焊條焊接過程中，通過電弧將電能轉(zhuǎn)化為加熱熔化焊條 與工件的熱能。熔化極焊接時(shí)，焊接過程中焊條（與工件的熱能。熔化極焊接時(shí)，焊接過程中焊條（ 焊絲）熔化，熔滴把加熱和熔化焊絲的熱量傳遞給焊絲）熔化，熔滴把加熱和熔化焊絲的熱量傳遞給 熔池。對鎢極氬弧焊，電極不熔化，母材只利用一熔池。對鎢極氬弧焊，電極不熔化，母材只利用一 部分電弧的熱量。電弧功率可由下式表示部分電弧的熱量。電弧功率可由下式表示 Q0=UI (5-11) 式中式中, U

41、：電弧電壓（電弧電壓（v），），I：焊接電流（焊接電流（A），）， Q0： ：電弧功率（ 電弧功率（W），），即電弧在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生即電弧在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生 的能量。的能量。 Teaching Materials/Yuandong Li 34 焊接成形數(shù)值模擬 由于能量在傳遞過程中有部分散失，即不是完全用于加熱工由于能量在傳遞過程中有部分散失，即不是完全用于加熱工 件，則真正有效用于加熱焊件的功率為件，則真正有效用于加熱焊件的功率為 Q=Q=UIUI (5-12)(5-12) 式中，式中，：熱效率，它與焊接方法，焊接規(guī)范和焊接材料的種熱效率，它與焊接方法，焊接規(guī)范和焊接材料的種 類（焊條，焊

42、絲，保護(hù)氣等）有關(guān)。各種焊接方法在常用規(guī)類（焊條，焊絲，保護(hù)氣等）有關(guān)。各種焊接方法在常用規(guī) 范下的電弧功率有效系數(shù)如表范下的電弧功率有效系數(shù)如表5-3-3。 對于同一種焊接方法，電源種類、極性、焊接電流、電弧電對于同一種焊接方法，電源種類、極性、焊接電流、電弧電 壓、焊接材料等因素都會影響電弧的熱效率壓、焊接材料等因素都會影響電弧的熱效率。而這里所說而這里所說 的熱效率的熱效率，只考慮焊件所能吸收的熱能。實(shí)際上這部分熱只考慮焊件所能吸收的熱能。實(shí)際上這部分熱 能一方面用于熔化金屬形成焊縫，另一方面由于熱傳導(dǎo)而流能一方面用于熔化金屬形成焊縫，另一方面由于熱傳導(dǎo)而流 失于焊件而形成焊接熱影響區(qū)。

43、因此，熱效率失于焊件而形成焊接熱影響區(qū)。因此，熱效率并不能直接并不能直接 反映熱能利用的合理性。反映熱能利用的合理性。 Teaching Materials/Yuandong Li 35 焊接成形數(shù)值模擬 表53 各種焊接方法的值 焊接方法焊接方法 厚皮焊條手工 電弧焊 0.770.87電子術(shù)及激光焊 0.90 碳弧焊0.50.65鎢極氬弧焊 直 流 0.780.85 埋弧自動焊0.770.90熔化極氬弧 焊 交 流 0.680.85 電渣焊0.83鎢極氬弧焊 鋼0.660.69 CO2氣體保護(hù)焊 0.750.90熔化極氬弧 焊 鋁 0.750.85 Teaching Materials/Yu

44、andong Li 36 焊接成形數(shù)值模擬 電弧把熱能傳給焊件是通過焊件上一定的作 用面積進(jìn)行的，這個面積就是所謂的加熱斑 點(diǎn)。加熱斑點(diǎn)的半徑為R（熱能降低為最大 熱能的5%時(shí)所對應(yīng)區(qū)域的半徑），該區(qū)域內(nèi) 金屬受熱是通過弧柱的輻射和電弧周圍介質(zhì) 的對流進(jìn)行的。由圖5-9可以看出，焊接時(shí)加 熱區(qū)的熱量分布是不均勻的，中心多而邊緣 少。研究工作可以證明，在加熱斑點(diǎn)上熱源 密度的分布可近似用高斯函數(shù)來描述。 Teaching Materials/Yuandong Li 37 焊接成形數(shù)值模擬 如圖5-9所示，距離加熱斑點(diǎn)中心任意點(diǎn)的熱 流可以用下式表示： （513） 2 kr me qrq 式中，q

45、(r)：距中心r處的熱流密度（單位時(shí) 間內(nèi)通過單位面積的熱能）；qm：中心的最 大熱流密度； k：熱能集中系數(shù)（1/），反映熱能的集 中程度，與焊接方法有關(guān)，見表54。 Teaching Materials/Yuandong Li 38 焊接成形數(shù)值模擬 圖59 熱量分布形式 Teaching Materials/Yuandong Li 39 焊接成形數(shù)值模擬 表54 各種焊接方法的k值 焊接方法k(1/2) 藥皮手工焊1.21.4 埋弧自動焊6.0 CO2氣體保護(hù)焊6.0 熔化極氬弧焊(MIG)6.0 鎢極氬弧焊(TIG)3.07.0 Teaching Materials/Yuandong

46、Li 40 焊接成形數(shù)值模擬 高斯曲線下的全部熱能為： (5-14) m q k rdrrqq 0 2 UI k q k qm 則 而 q(R)=0.05qm (5-15) 得 R2=3.0/k (5-16) 2 2 2 3 exp 3 R r UI R rq Teaching Materials/Yuandong Li 41 焊接成形數(shù)值模擬 焊接熱過程中，焊件的邊界與周圍介質(zhì)的傳熱包括對 流和輻射兩種形式。對流換熱時(shí)的熱流 （5-17） 式中，Tw：表面溫度，可以近似的用計(jì)算單元體的溫 度代替。 T：周圍介質(zhì)的溫度。 hc:對流換熱系數(shù),的值不僅與物體本身的性質(zhì)有關(guān)， 還與周圍流體的流動速

47、度，物體邊界的幾何形狀，位 置有關(guān)。 5.3.2邊界條件的處理 TThq wcc Teaching Materials/Yuandong Li 42 焊接成形數(shù)值模擬 存在輻射換熱時(shí)，輻射換熱的熱流可用下式表示： （518） 式中，0：斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)， ：物體的熱輻射率，為物體的輻射能力與同溫 度下黑體的輻射能力之比。不同材料的熱輻射率一 般可以查閱相關(guān)文獻(xiàn)獲得。 44 0 15.27315.273 TTqr Teaching Materials/Yuandong Li 43 焊接成形數(shù)值模擬 對于實(shí)際的傳熱物體，對流換熱和輻射換熱并不是 截然分開而是同時(shí)存在的。對高溫邊界來講，輻射 換熱

48、起主要作用，而對低溫邊界，對流換熱起主要 作用。由于在計(jì)算過程中，已將輻射換熱進(jìn)行了先 行化的簡化，所以可以將兩種換熱形式統(tǒng)一起來， 則對流和輻射換熱的熱量可用下式進(jìn)行計(jì)算： （519） 式中， h：界面換熱系數(shù)，綜合考慮了輻射和對流的 影響，與溫度有關(guān)。 TTh TThhqqq w wcrcr hehch Teaching Materials/Yuandong Li 44 焊接成形數(shù)值模擬 經(jīng)過這種處理后，這種邊界條件可以歸為第三類邊界條件，即： （520） TTh x T K w 在應(yīng)用直接差分法進(jìn)行焊接溫度場數(shù)值模擬時(shí)可直接 應(yīng)用第三類邊界條件的差分方程建立方法建立這一邊 界的差分方程。

49、對直接差分法而言，由于無需建立邊 界條件的差分方程，而僅考慮邊界上的傳熱，所以可 以不采用這種近似處理，直接將對流換熱和輻射換熱 分別計(jì)入邊界條件中，即在考慮邊界傳熱時(shí)，熱流可 用式（519）進(jìn)行計(jì)算。 Teaching Materials/Yuandong Li 45 焊接成形數(shù)值模擬 5.5.3熔化和凝固潛熱的處理熔化和凝固潛熱的處理 在焊接過程中，伴隨著金屬的加熱熔化和冷卻凝 固過程都會有相變潛熱產(chǎn)生，與凝固成形相比， 焊接過程的潛熱處理更為復(fù)雜，不僅有凝固潛熱， 還有熔化潛熱，因此對焊接過程的溫度場計(jì)算， 必須考慮熔化和凝固潛熱的影響。實(shí)際上，熔化 潛熱和凝固潛熱在本質(zhì)上是相同的，都是

50、材料內(nèi) 能的改變，不同的是凝固潛熱為材料在凝固過程 中吸收的熱量，而熔化潛熱為材料在熔化是釋放 的熱量。因此關(guān)于熔化潛熱的處理方法與凝固潛 熱的處理相同， Teaching Materials/Yuandong Li 46 焊接成形數(shù)值模擬 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分 在在Patran中進(jìn)行網(wǎng)格劃分中進(jìn)行網(wǎng)格劃分 六面體：六面體：181592個個 四面體：四面體：15014個個 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分 在在Patran中進(jìn)行網(wǎng)格劃分中進(jìn)行網(wǎng)格劃分 六面體：六面體：181592個個 四面體：四面體：15014個個 節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)： 203447個個 定義材料屬性定義材料屬性 MAIN-MATERIAL PROPER

51、TIESMETERIAL PROPERTIES 也可以在也可以在Patran中定義好中定義好 彈性模量（動態(tài)）彈性模量（動態(tài)） 溫度（溫度（） 20 150 250 350 1350 E（MPa） 84000 79000 75000 70000 20000 屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 溫度（溫度（） 20 150 250 350 1000 2000 E（MPa） 190 170 80 35 10 5 橫向收縮橫向收縮 ：0.32 密度密度 2.77（g/cm3） 定義材料屬性定義材料屬性 MAIN-MATERIAL PROPERTIESMETERIAL PROPERTIES 也可以在也可以在Patran

52、中定義好中定義好 導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù) 溫度（溫度（） 20 150 250 350 （W/mK） 130 136 142 146 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù) 溫度（溫度（） 20100 20200 20300 20 400 1/10-6 19.2 20.3 21.1 21.8 密度密度 2.77（g/cm3） 定義接觸體定義接觸體 定義四面體網(wǎng)格部分與六面體網(wǎng)格部分粘接接觸定義四面體網(wǎng)格部分與六面體網(wǎng)格部分粘接接觸 定義橫向焊接時(shí)的焊接填充部分為接觸體并與結(jié)構(gòu)粘接接觸定義橫向焊接時(shí)的焊接填充部分為接觸體并與結(jié)構(gòu)粘接接觸 定義初始條件定義初始條件 初始溫度為初始溫度為2020 定義邊界條件定義邊界條件

53、固定約束固定約束 定義邊界條件定義邊界條件 對稱邊界條件對稱邊界條件 對稱面對稱面Z Z向位移為零向位移為零 對稱面熱流密度為零對稱面熱流密度為零 邊界條件主要涉及到焊接熱源的定義邊界條件主要涉及到焊接熱源的定義 定義焊接熱源之前需了解幾個概念定義焊接熱源之前需了解幾個概念 正式定義時(shí)，需要先定義焊接路徑、焊接填充單元（熔覆金屬）正式定義時(shí)，需要先定義焊接路徑、焊接填充單元（熔覆金屬） 定義焊接邊界條件定義焊接邊界條件 焊接熱過程本質(zhì)上是一個移動加熱的過程，需要定義移動的熱源模型。焊接熱過程本質(zhì)上是一個移動加熱的過程，需要定義移動的熱源模型。 在在MARC中，焊接熱源不是通過整體多少瓦來定義，

54、而是通過單位體積、中，焊接熱源不是通過整體多少瓦來定義，而是通過單位體積、 單位面積上的熱量（熱流密度）來定義單位面積上的熱量（熱流密度）來定義 焊接熱是一個瞬態(tài)移動的過程，但是焊接熱也有一定的作用區(qū)間，在該焊接熱是一個瞬態(tài)移動的過程，但是焊接熱也有一定的作用區(qū)間，在該 區(qū)間內(nèi)，焊接熱流密度的分布是有一定規(guī)律的，離焊接中心越近的地方，區(qū)間內(nèi)，焊接熱流密度的分布是有一定規(guī)律的，離焊接中心越近的地方， 熱流密度越大，離焊接中心越遠(yuǎn)的地方，熱流密度越小，選取熱流密度熱流密度越大，離焊接中心越遠(yuǎn)的地方，熱流密度越小，選取熱流密度 分布函數(shù)及其參數(shù)成為定義移動熱源的一個關(guān)鍵。分布函數(shù)及其參數(shù)成為定義移動

55、熱源的一個關(guān)鍵。 定義焊接邊界條件定義焊接邊界條件 紅色的是母材，黑色的是焊槍，噴墨的地方表示焊槍熱源的作用區(qū)域紅色的是母材，黑色的是焊槍，噴墨的地方表示焊槍熱源的作用區(qū)域 在在XZ平面，熱源的分布應(yīng)該是：里焊槍中心越近的地方溫度越高，即熱平面，熱源的分布應(yīng)該是：里焊槍中心越近的地方溫度越高，即熱 流密度越大；離焊槍越遠(yuǎn)的地方溫度越低，即熱流密度愈??；為了描述流密度越大；離焊槍越遠(yuǎn)的地方溫度越低，即熱流密度愈?。粸榱嗣枋?這樣一種分布趨勢，可以采用高斯熱源這樣一種分布趨勢，可以采用高斯熱源 R為熱源作用半徑，為熱源作用半徑， X，Z為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo) 定義焊接邊界條件定義焊接邊界條件 高斯熱

56、源的不足高斯熱源的不足 事實(shí)上，我們應(yīng)該有這么個概念，在事實(shí)上，我們應(yīng)該有這么個概念，在ZY平面，離焊槍越遠(yuǎn)的地方（平面，離焊槍越遠(yuǎn)的地方（Y越越 大），熱流密度應(yīng)該越小；離他越近的地方（大），熱流密度應(yīng)該越小；離他越近的地方（Y愈?。?，熱流密度應(yīng)該越愈?。?，熱流密度應(yīng)該越 大大 高斯熱源描述不了這個高斯熱源描述不了這個 于是有必要采用體積熱源模式，即考慮焊接深度方向熱流密度的分布趨勢于是有必要采用體積熱源模式，即考慮焊接深度方向熱流密度的分布趨勢 焊接是一個移動的過程焊接是一個移動的過程 實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)證明，ZX平面的熱源分布平面的熱源分布 形式如下頁圖所示形式如下頁圖所示 定義焊接邊界條件

57、定義焊接邊界條件 紅色的是等溫線，藍(lán)色的是焊槍紅色的是等溫線，藍(lán)色的是焊槍 這表示，熱源前部作用半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱源后部作用半徑（拖尾現(xiàn)象）這表示，熱源前部作用半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱源后部作用半徑（拖尾現(xiàn)象） 高斯熱源也描述不了這個高斯熱源也描述不了這個 因此，有必要采用可以描述焊接深度方向熱源分布以及拖尾現(xiàn)象的熱源因此，有必要采用可以描述焊接深度方向熱源分布以及拖尾現(xiàn)象的熱源 模式：雙橢球熱源模式：雙橢球熱源 定義焊接邊界條件定義焊接邊界條件 定義焊接邊界條件定義焊接邊界條件 定義焊接熱源分三步定義焊接熱源分三步 第一步：第一步： 定義焊接移動方向（定義焊接移動方向（Weld Path） 第二步：第二步： 定義焊料填充方式（如果不考慮焊料填充過程，只計(jì)算熱過程，該步驟定義焊料填充方式（如果不考慮焊料填充過程，只計(jì)算熱過程，該步驟 可以略掉（可以略掉（Weld filler） 第三步：第三步： 定義焊接熱源（定義焊接熱源（Weld Flux） 定義焊接邊界條件定義焊接邊界條件 Weld Path MAIN-MODELING TOOLS-WELD PATHS 最簡單的方式就是在最簡單的方式就是在MESH GENERATION里畫兩條曲線，里畫兩條曲線， 一條為焊槍底部中點(diǎn)的真實(shí)移動曲線，一條為焊槍底部中點(diǎn)的真實(shí)移動曲線， 另一條平行于該移動曲線，以定義焊