田敏開題報告

1、 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告焊接過程溫度場模擬專 業(yè) 物 理 學 姓 名 田 敏 學 號 10036116 指 導 教 師 袁 訓 鋒 完 成 時 間 2014.03 教務(wù)處 印說 明1根據(jù)商洛學院畢業(yè)設(shè)計(論文)工作管理規(guī)定，學生必須撰寫畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告，由指導教師簽署意見、教研室審查，系教學主任批準后實施。2開題報告是畢業(yè)論文（設(shè)計）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學生應當在畢業(yè)論文（設(shè)計）工作前期內(nèi)完成，開題報告不合格者不得參加答辯。3畢業(yè)設(shè)計開題報告各項內(nèi)容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮

2、寫詞，須注出全稱。4本報告中，由學生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應不少于2000字，沒有經(jīng)過整理歸納，缺乏個人見解僅僅從網(wǎng)上下載材料拼湊而成的開題報告按不合格論。5開題報告檢查原則上在第24周完成，各系完成畢業(yè)設(shè)計開題檢查后，應寫一份開題情況總結(jié)報告。6.“課題來源”一欄用分別為： A自然科學基金與部、省、市級以上科研課題；B企、事業(yè)單位委托課題；C校級基金課題；D大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目；E.其他。“課題類型”一欄用分別為：A工程設(shè)計類；B理論研究類；C實驗研究類；D計算機軟件設(shè)計類；E文獻型綜述；F其它。7.開題報告內(nèi)容統(tǒng)一采用宋體小四號，雙面打印，左側(cè)裝訂。商洛學院本科生畢

3、業(yè)設(shè)計(論文)開題報告課題名稱焊接過程溫度場模擬學生姓名田 敏學 號10036116專 業(yè)物 理 學指導教師袁訓鋒職 稱講 師所在系物理與電子信息工程系課題來源校級基金課題課題類型實驗研究1.研究的目的和意義：本課題采用有限差分法求解熱傳導方程，C+語言編寫模擬程序，對焊接過程溫度場進行模擬，探討焊接熔池溫度場分布規(guī)律和熱影響區(qū)的形狀、尺寸，其研究意義如下：(1) 再現(xiàn)焊接過程熔池溫度變化過程，研究熔池中金屬凝固溫度變化規(guī)律，豐富凝固理論；(2) 分析溫度分布情況和熱影響區(qū)的形狀、尺寸，為工藝設(shè)計提供依據(jù)；(3) 數(shù)值模擬與傳統(tǒng)試驗研究相比，具有成本低，周期短的優(yōu)勢。 結(jié)合文獻綜述，闡述為什么

4、要進行該課題的研究，達到什么結(jié)果或取得什么效果，含理論、技術(shù)、應用以及經(jīng)濟、社會價值。2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（文獻綜述）： 焊接是一個涉及電弧物理、傳質(zhì)傳熱、冶金和力學的復雜過程1，要得到高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)，必須要控制這些因素。單純采用理論方法求解包含這些過程的物理模型將遇到巨大的數(shù)學難題，并且很難準確解決實際問題；單純采用傳統(tǒng)試驗方法研究，很難揭示復雜過程中的物理本質(zhì)。近幾十年來，隨著焊接理論的不斷豐富和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，采用成本低、周期短的數(shù)值模擬技術(shù)，開展焊接過程數(shù)值模擬研究，準確分析焊接過程中的物理現(xiàn)象，已經(jīng)成為焊接過程研究領(lǐng)域的熱點。焊接過程數(shù)值模擬主要集中在焊接溫度場分析、焊接接頭

5、微觀組織分析、和焊接應力應變場分析三個方面。(1) 焊接溫度場分析焊接溫度場分析屬于典型的非線性瞬態(tài)熱傳導問題，焊接溫度場的數(shù)學模型是基于傅里葉的熱傳導模型。提供準確的材料屬性、熱源模型與實際熱源的擬合程度、邊界條件以及網(wǎng)格劃分等是準確模擬焊接溫度場的關(guān)鍵。王中輝2、宮大猛3對數(shù)值模擬在焊接中的應用及焊接過程數(shù)值模擬現(xiàn)狀進行詳細探討。在焊接過程的熱源模型建立方面，GOLDAK4針對激光焊、電子束焊等高能束焊接沒有考慮電弧的穿透作用，提出了半球狀熱源分布函數(shù)。發(fā)現(xiàn)熔池在激光焊接等情況下不是球?qū)ΨQ的，改進半球狀熱源模型，提出橢球型熱源模型。隨后，針對用橢球形熱源分布函數(shù)計算時，橢球前半部分溫度梯度

6、不像實際中那樣陡變，橢球的后半部分溫度梯度分布緩慢的缺點，進一步提出雙橢球熱源模型。激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密的焊接方法。薛忠明5等在深入分析激光焊接小孔傳熱模型的基礎(chǔ)上，將移動線熱源條件下的穩(wěn)態(tài)溫度場與高斯分布熱源下的溫度場二維瞬態(tài)有限元分析結(jié)果進行對比。曾祥呈6等運用APDL編寫程序，模擬了激光焊接過程的材料表面溫度場的變化，結(jié)果表明溫度場呈橢圓分，如圖1所示。黃道業(yè)7將激光焊接溫度場模擬對象擴展到AZ31鎂合金,研究了激光脈沖、頻率、焊接速度對熔池界面形狀的影響，獲得鎂合金板焊接過程的最佳工藝參數(shù)。圖1 焊接過程不同時刻的溫度場分布王希靖8等將焊接過程溫度數(shù)值

7、模擬技術(shù)引入攪拌摩擦焊領(lǐng)域，提出攪拌摩擦焊的熱輸入模型，采用ANSYS有限元分析方法，對鋁合金薄板攪拌摩擦焊過程的溫度場進行了模擬，獲得溫度場空間分布隨時間變化的規(guī)律，如圖2所示。胡瑢華9等以圖2 不同時刻的溫度等值線分布薄板件單層成形為研究對象，分析了不同的堆積軌跡對溫度場的影響，從而為合理選擇成形過程的掃描路徑提供理論依據(jù)。楊勝10等應用ANSYS軟件，建立了管道焊接模型，獲得了焊縫區(qū)的瞬態(tài)溫度場情況。（2）焊接接頭微觀組織分析微觀組織對焊接構(gòu)件的主要性能具有非常重要的影響，對焊接構(gòu)件進行模擬和預測具有非常重大的現(xiàn)實意義。焊接接頭是指兩個或兩個以上零件要用焊接組合的接點?；蛑竷蓚€或兩個以上

8、零件用焊接方法連接的接頭，包括焊縫、熔合區(qū)和熱影響區(qū)。焊接接頭型式主要有對接接頭、T形接頭、角接接頭、搭接接頭四種。有時焊接結(jié)構(gòu)中還有一些其它類型的接頭型式，如十字接頭、端接接頭、卷邊接頭、套管接頭、斜對接接頭、鎖底對接接頭等。 采用計算機模擬技術(shù)研究焊接接頭微觀組織及其變化對材料性能的影響是近年來焊接模擬技術(shù)研究領(lǐng)域中的熱點和前沿課題之一。目前用于焊接接頭微觀組織模擬的方法主要有確定性方法和概率性方法。王力群11等對計算機技術(shù)在焊機接頭微觀組織模擬方面做出了很全面的評述。基于國內(nèi)外廣泛利用的的蒙特卡羅模擬方法和元胞自動機法用于晶粒生長微觀模擬的研究方法，他們指出雖然近幾十年內(nèi)，國內(nèi)外學者在計

9、算機模擬焊接微觀組織這一領(lǐng)域取得了很大的進展，但是各種模擬方法也都做出了很多假設(shè)，所以仍處于研究發(fā)展階段，離實際的應用還是有一定的差距。在焊接工業(yè)中，手工電弧焊因為其穩(wěn)定的性能特點而被廣泛用于各種焊材的焊接。HRBF400級熱軋帶肋鋼筋是建筑工程的基礎(chǔ)材料之一，對建筑業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。張敏12等對HRBF400鋼筋手工電弧焊焊接接頭組織的性能進行了分析。實驗中，焊接HRBF400鋼筋所使用到的焊接方法分別為窄間隙焊、坡口焊和幫條焊，這種焊接方法在焊接時都是采用手工電弧焊的方法。從焊接完成的鋼筋上切取鋼筋焊接接頭制成金相試樣，制成的金相試樣如圖所示。 最后研究發(fā)現(xiàn)，由于母材晶粒細小且均

10、勻，所以硬度比較平穩(wěn)，沒有較大波動。在靠近HAZ的母材區(qū)垂直于軸線方向上，總體來看，都是軸線處的硬度較低，軸線兩側(cè)硬度相對較高且波動較小。 (3)焊接應力應變場分析 焊接工藝不可避免地產(chǎn)生殘余應力。工作在高溫、高壓、變載等復雜載荷和服役環(huán)境中的焊接結(jié)構(gòu),在工作載荷及殘余應力的作用下,微觀缺陷就會萌發(fā)和擴展為裂紋以至發(fā)生斷裂。在使用過程中造成的應力集中,將成為各種斷裂的源頭,造成設(shè)備發(fā)生低應力破壞,甚至導致突發(fā)性災難性事故。薛忠明5等綜述國內(nèi)外有關(guān)焊接溫度場與力學場模擬的最新研究進展，對焊接溫度場.顯微組織轉(zhuǎn)變及焊接殘余應力的耦合分析進行了討論，他們使用了一些通用的有限元分軟件如MARC與ABA

11、QUS等都可以對焊接溫度場,焊接力學場進行模擬。并且介紹并使用了幾種典型的焊接模擬專用軟件及有限元分析技術(shù)。 T 形接頭在各種鋼結(jié)構(gòu)制造過程中得到普遍應用， 其焊接殘余應力的存在， 直接影響到鋼結(jié)構(gòu)的強度和承載能力。姚杞13等利用HZ-21 三維應力分布磁測儀測試了T 形結(jié)構(gòu)構(gòu)件的焊接應力， 分析了T 形焊接接頭構(gòu)件的焊接順序、焊接輸入不同時引起的焊接應力的變化規(guī)律。如圖，所測的焊接應力值為構(gòu)件中心處的表面焊接應力值。 焊接應力測量位置示意圖如圖所示， 應力測量起始點距離板端50 mm覆蓋整個鋼板上的3 條焊道。沿寬度方向有3 個坐標值Y0， Y1， Y2。試驗結(jié)果表明： Q235B 鋼以T

12、形接頭焊接時， 焊接順序不同， 應力的分布也不相同； 焊接熱輸入較大時所產(chǎn)生的焊后24 h應力分布較均勻， 而焊接熱輸入較小時所產(chǎn)生的焊后24 h 應力分變化較大。對T 形結(jié)構(gòu)件焊接時選取合理的焊接順序和適當?shù)暮附虞斎刖哂幸欢ㄖ笇б饬x。參考文獻：1 吳言高, 李午申, 鄒宏軍等.焊接數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀J. 焊接學報,2002 23(3):89-92.2 王中輝, 李冬雪.焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀J.焊管,2010,33(6):28-31.3 宮大猛, 雷毅.數(shù)值模擬在焊接中的應用分析J.電焊機,2012,42(6):58-62.4 GOLDAK J, CHAKRAVARTI A, BIBB

13、Y M. A new finite element model for welding heat sourcesJ. Metallurgical Transactions B, 1984,15(2):299-305.5 薛忠明, 楊廣臣, 張彥華.焊接溫度場與力學場模擬的研究進展J.中國機械 工程,2002, 13(11):83-87.6 曾祥呈, 黃健文, 張慶茂.激光焊接過程溫度場的模擬J.應用激光,2008, 28(3):190-195.7 黃道業(yè).鎂合金脈沖激光焊接溫度場的數(shù)值模擬J.熱加工工藝,2013,42(13): 189-191.8 王希靖, 韓曉輝, 郭瑞杰等.攪拌摩擦焊接過

14、程溫度場數(shù)值模擬J.焊接學報,2005,26(12): 17-20.9 胡瑢華, 張華, 徐健寧等.焊接成形中堆積軌跡對溫度場影響的數(shù)值模擬J.焊接學報,2005,26(11): 75-78.10 楊勝, 劉國榮.管道焊接過程的溫度場數(shù)值模擬J.熱處理技術(shù)與裝備,2007, 28(6): 33-35.11 王力群，熊建鋼，黃安國，李志遠.焊接接頭微觀組織模擬方法研究進展J, 電焊機.2003.9:33-912 張敏，張翔，吳成材，席敏敏. HRBF400鋼筋手工電弧焊焊接接頭組織性能分 析J,工業(yè)建筑.2012：4213 姚杞，羅震，羅輝.焊接工藝對T形接頭構(gòu)件焊接應力分布的影響J，焊接技 術(shù)

15、,2012,2:42-2（國內(nèi)外本課題研究現(xiàn)狀及進展情況,應不少于1000字） 3.選題研究的內(nèi)容： (1) 在焊接過程溫度場模擬的發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，熟悉溫度場計算模型的建立過程；(2) 理解計算模型中各參數(shù)的含義，查閱文獻并確定模擬所需物性參數(shù)；(3) 熟悉有限差分法的基本思想，采用有限差分法離散計算模型，C+語言編寫模擬程序，上機調(diào)試獲得正確的模擬結(jié)果；(4) 分析模擬結(jié)果，獲得焊接過程中的溫度分布和熱影響區(qū)的形狀及尺寸。在畢業(yè)設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，說明其中須進行研究的具體理論、技術(shù)內(nèi)容等。4.選題研究的技術(shù)路線、研究方法和要解決的主要問題：該課題技術(shù)路線如下圖所示。具體工作包括以下幾個方面：

16、(1) 確定溫度場計算模型的控制方程；(2) 離散控制方程，確定模擬所需物性參數(shù)；(3) 編制前處理、數(shù)值計算和后處理各部分的模擬程序，進行模擬計算；(4) 分析模擬結(jié)果，獲得焊接過程中的溫度分布和熱影響區(qū)的形狀及尺寸。該課題通過查閱文獻確定模擬所需參數(shù)，采用有限差分法求解熱傳導方程，C+語言編寫模擬程序，Tecplot可視化模擬結(jié)果，Origin軟件繪制定量曲線圖，并將模擬結(jié)果與其他學者的研究成果進行比較驗證模擬結(jié)果的正確性。旨在獲得焊接過程中的溫度分布和熱影響區(qū)的形狀及尺寸，為工藝設(shè)計提供依據(jù)。5.研究進度安排：2013.12.20-2014.3.10 查閱文獻資料，撰寫開題報告;2014

17、.3.11-2014.3.30 理解計算模型中參數(shù)的含義及模型程序化過程;2014.4.1-2014.5.30 分析模擬結(jié)果，撰寫畢業(yè)論文；2014.6.1-2014.6.10 參加資格審查準備答辯；2014.6.11-2014.6.24 完成答辯。6、研究的特色及創(chuàng)新點：(1) 焊接過程中的溫度分布和熱影響區(qū)的形狀及尺寸，為工藝設(shè)計提供依據(jù)；(2) 數(shù)值模擬與傳統(tǒng)試驗研究相比，具有成本低，周期短的優(yōu)勢。介紹該課題在技術(shù)方案、研究內(nèi)容、理論、應用、經(jīng)濟與社會價值等方面的特色。7、 主要參考文獻： 1 王中輝, 李冬雪.焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀J.焊管,2010,33(6):28-31.2 宮

18、大猛, 雷毅.數(shù)值模擬在焊接中的應用分析J.電焊機,2012,42(6):58-62.3 薛忠明, 楊廣臣, 張彥華.焊接溫度場與力學場模擬的研究進展J.中國機械 工程,2002, 13(11):83-87. 4 曾祥呈, 黃健文, 張慶茂.激光焊接過程溫度場的模擬J.應用激光,2008, 28(3):190-195.5 薛忠明, 顧蘭, 張彥華.激光焊接溫度場數(shù)值模擬J.焊接學報,2003, 24(2):79-82.6 王希靖, 韓曉輝, 郭瑞杰, 等.攪拌摩擦焊接過程溫度場數(shù)值模擬J.焊接學報,2005,26(12):17-20.7 MA N，KAZARYAN A，DREQIA S A，et a1Computer Simulation of Texture Evolution During Grain Growth: Effect of Boundar