電阻點(diǎn)焊過程數(shù)值模擬與仿真分析技術(shù)

1、電阻點(diǎn)焊過程數(shù)值模擬與仿真分析技術(shù)本文介紹了自主開發(fā)的電阻點(diǎn)焊過程可視化模擬與分析軟件中采用的關(guān)鍵技術(shù)，如接觸面、接觸電阻、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、可視化技術(shù)。在前置處理中通過交互式的圖形輸入界面使用戶能夠方便、快捷的建立求解模型，用戶以圖形界面方式輸入點(diǎn)焊工件、電極的形狀參數(shù)、材料性能參數(shù)、焊接規(guī)范等，自由選擇網(wǎng)格剖分的疏密程度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)剖分；所建立的模型數(shù)據(jù)不僅能進(jìn)行存儲(chǔ)，而且和有限元模擬計(jì)算有良好的嵌接；在后置處理中能夠?qū)⒂邢拊治鲇?jì)算結(jié)果以圖形方式直觀地顯示。0引言電阻點(diǎn)焊技術(shù)作為一種高效的薄板結(jié)構(gòu)連接方法廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，特別是汽車制造業(yè)。具不確切統(tǒng)計(jì)，一輛小轎車的殼體制造就

2、需5000-10000個(gè)焊點(diǎn)。然而，點(diǎn)焊完成的時(shí)間很短，大約在0.2s左右完成。因此，依靠試驗(yàn)的方法研究其過程行為具有很大的難度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法已成為分析電阻點(diǎn)焊過程機(jī)理的重要手段。國內(nèi)外許多學(xué)者相繼建立各自的數(shù)值模型，并普遍采用有限元分析方法對(duì)點(diǎn)焊過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，取得了很大的進(jìn)展1-10。但這類工作的不足之處是研制軟件的前后處理部分，需要收集整理并輸入大量的原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)繁瑣且容易出錯(cuò)，也因?yàn)槿狈δ芡晟频暮筇幚砥鳎步o推廣使用帶來了很大困難?？茖W(xué)計(jì)算可視化涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺及人機(jī)交互等多個(gè)領(lǐng)域，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用新技術(shù)的熱點(diǎn)之一

3、10。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工程領(lǐng)域的開發(fā)研究工作越來越向定量化、精細(xì)化的方向發(fā)展，工程人員需要更詳細(xì)的了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部各場(chǎng)量的分布情況?？茖W(xué)計(jì)算可視化技術(shù)憑借現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的圖形能力把計(jì)算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的、易于理解的、以圖形或圖像形式表示的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)畫面，從而幫助人們有效的理解計(jì)算數(shù)據(jù)，從繁瑣的數(shù)據(jù)后處理中解放出來。本文介紹了自主開發(fā)的電阻點(diǎn)焊過程可視化模擬與分析軟件系統(tǒng)VisualSSRSW中采用的關(guān)鍵技術(shù)，如接觸面、接觸電阻、熔核形成和長大等、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、可視化技術(shù)等。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)按照可視化軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，從用戶與系統(tǒng)交互的角度描述了本軟件的結(jié)構(gòu)流程，如圖1所示。

4、用戶對(duì)系統(tǒng)的操作有兩種途徑，一是通過輸入數(shù)據(jù)參數(shù)建立數(shù)值模型，系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，然后將結(jié)果進(jìn)行處理并以圖形顯示的方式反饋給用戶；另一方式則可以使用圖形操作直接獲得可視化信息。圖中的A部分構(gòu)成系統(tǒng)的前處理模塊，B部分則是系統(tǒng)的后處理模塊，A、B及數(shù)據(jù)處理部分共同組成了系統(tǒng)的可視化處理模塊，數(shù)值計(jì)算模塊單獨(dú)另置。位于此系統(tǒng)中的每個(gè)模塊要完成的工作既單純又明確，且可以采用不同的編程語言獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。1埶屈（訃宦1蠱化處魏檯乍圖1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖VC+在繪圖及圖像處理方面的功能是非常強(qiáng)大的，它專門定義了一組圖形對(duì)象和部件用以繪制圖形或完成一些基本的圖像功能。利用這些對(duì)象、部件可以方便的繪制各種常用的圖形，

5、通過設(shè)置其屬性，還可改變圖形的不同風(fēng)格。對(duì)于前、后置處理模塊中的所要求的功能，VC+設(shè)備描述表（DeviceContext）的可重用DC類即可實(shí)現(xiàn)。DC類封裝了全部繪圖方法和大部分GDI函數(shù)，一般不需要直接調(diào)用Windows的API函數(shù)。在可視化處理中，除了繪圖的實(shí)現(xiàn)方法外，還涉及到設(shè)備坐標(biāo)（如顯示器屏幕等）與實(shí)際坐標(biāo)的映射關(guān)系，以及將設(shè)備坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)據(jù)信息這兩個(gè)方面。2有限元數(shù)值計(jì)算技術(shù)電阻點(diǎn)焊過程是一個(gè)高度非線性的多因素耦合過程，涉及電、熱、力、磁和冶金等諸多方面。目前，數(shù)值分析大都采用二維軸對(duì)稱模型研究點(diǎn)焊過程電、熱、力行為的相互作用，還考慮到接觸電阻等因素對(duì)點(diǎn)焊熔核形成過程的影

6、響10。在點(diǎn)焊有限元分析程序設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵技術(shù)是電極與工件，工件與工件的接觸問題處理。本程序采用彈簧單元處理接觸問題，當(dāng)彈簧的接觸力小于或等于零時(shí)，判斷為分離，當(dāng)彈簧力大于零時(shí)，判斷為接觸。由此確定界面的接觸與否。界面電阻的處理為利用靠近界面的單元的最近高斯點(diǎn)的電阻率的變化模擬界面電阻。程序設(shè)計(jì)中進(jìn)行了耦合計(jì)算，考慮了接觸面積對(duì)電流強(qiáng)度的影響，考慮了材料常數(shù)隨溫度的變化，以及溫度變化對(duì)接觸面的影響等5-8。程序設(shè)計(jì)采用Fortran語言。此語言因其高精度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)構(gòu)，成為分析計(jì)算類軟件的經(jīng)典編程語言，如著名的大型有限元分析軟件ANSYS就采用了F0RTRAN77語言。然而，F(xiàn)ortran

7、語言畢竟是一種面向過程的語言，其人機(jī)交互及圖形處理能力并不理想，而面向?qū)ο蟮木幊陶Z言VC+則正好可以彌補(bǔ)Fortran語言在這兩方面的不足。因此，采用VC+語言開發(fā)有限元分析軟件的整體構(gòu)架及前、后置處理系統(tǒng)，用Fortran語言獨(dú)立開發(fā)數(shù)值計(jì)算程序，再運(yùn)用一定的方法將它們連接為一個(gè)有機(jī)的整體。其中，進(jìn)程間通訊是這類方法中的一種行之有效的連接方法。進(jìn)程是Windows操作系統(tǒng)所涉及到的一個(gè)概念，是應(yīng)用程序的運(yùn)行實(shí)例，是應(yīng)用程序的一次動(dòng)態(tài)執(zhí)行。可以通過Win32API函數(shù)：CreateProcess()創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程，調(diào)用此函數(shù)的進(jìn)程稱為“父進(jìn)程”，而被“父進(jìn)程”創(chuàng)立的進(jìn)程則為“子進(jìn)程”。使用不同

8、進(jìn)程間通訊的方法可以開發(fā)密切相關(guān)的程序的程序組。如圖2所示，本分析軟件將VisualSSRSW系統(tǒng)的構(gòu)架（其中包括前、后置處理）主程序作為父進(jìn)程，將二維軸對(duì)稱熱彈塑性大變形點(diǎn)焊過程模擬程序SPFEM作為子進(jìn)程,由父進(jìn)程利用菜單消息映射函數(shù)啟動(dòng)子進(jìn)程，從而實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)焊過程有限元分析系統(tǒng)的前、后置模塊與模擬計(jì)算模塊的集成。該方法編程簡單、思路清晰且程序的運(yùn)行速度也很快。進(jìn)程（F進(jìn)FC廣ufV業(yè)病址-J圖2進(jìn)程間通信模型3模型建立技術(shù)一前處理模塊可視化建模作為有限元分析前置處理階段的主要內(nèi)容，對(duì)于保證模擬計(jì)算系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。對(duì)建模過程的基本要求是簡便、快捷，而交互技術(shù)必不可少。交互界面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣關(guān)

9、乎整個(gè)系統(tǒng)的工作效率和用戶的滿意程度，優(yōu)秀的界面可以使用戶不必關(guān)心軟件本身的細(xì)節(jié)而專注于自己的目標(biāo)任務(wù)。VisualSSRSW系統(tǒng)是一個(gè)交互式的圖形界面系統(tǒng)，允許用戶使用交互式圖形方式輸入原始數(shù)據(jù)、觀察圖形實(shí)體及網(wǎng)格單元。前置處理模塊的主要功能是建立求解對(duì)象的模型，定義相應(yīng)的材料屬性，確定場(chǎng)域中各子域的空間位置及形狀參數(shù)，并自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，從而為模擬計(jì)算做好準(zhǔn)備。VisualSSRSW系統(tǒng)前處理的初始化參數(shù)包括點(diǎn)焊工件的性能參數(shù)、電極材料的性能參數(shù)、電極形狀參數(shù)、焊接規(guī)范以及網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)據(jù)等。系統(tǒng)中對(duì)場(chǎng)域采用四節(jié)點(diǎn)四邊形等參元進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)剖分，對(duì)計(jì)算區(qū)域的主體部分（電極頭與工件接觸區(qū)域）剖分的

10、較細(xì)密，而對(duì)其它區(qū)域則剖分的較稀疏。為了處理工件和電極這兩種介質(zhì)的混合場(chǎng)域問題，采用彈性表面元模擬工件與工件、工件與電極間的接觸狀態(tài)。網(wǎng)格剖分部分最后生成與模擬計(jì)算模塊接口的前處理文件。圖形操作子模塊可以對(duì)窗口顯示的圖形進(jìn)行平移、縮放、打印預(yù)覽及保存等操作。為了防止誤操作，前置處理模塊具有回退功能，可以一直返回到參數(shù)輸入的首界面,從而提高了軟件的安全性。圖3表示了電極的參數(shù)化處理，便于進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。圖3典型電極的參數(shù)化設(shè)計(jì):數(shù)化公稱直徑n；工作面亙徑D門工作直圓弧半徑D；工作面直徑D-?工作固圓弧半徑:過渡圓弧半徑尺4結(jié)果處理技術(shù)一后處理模塊有限元分析結(jié)果的可視化技術(shù)包括矢量場(chǎng)和標(biāo)量場(chǎng)兩

11、大類。矢量場(chǎng)有流體等物質(zhì),可視化主要使用箭頭線段表示法；標(biāo)量場(chǎng)有溫度、應(yīng)力應(yīng)變的某一方向等，本文對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，包括圖形顯示、結(jié)果輸出等，是后處理模塊的主要內(nèi)容。可視化主要采用等值線、彩色云圖、線架曲面圖及切片圖等，其中以等值線圖和彩色云圖最為常用。本系統(tǒng)中提供了點(diǎn)焊熔核長大曲線圖、結(jié)構(gòu)變形圖、等值線圖及彩色云圖等多種用于結(jié)果分析的后處理方法。(1)熔核尺寸與電極位移圖為了方便觀察點(diǎn)焊熔核的長大過程，系統(tǒng)提供了按焊接周期顯示的熔核直徑、厚度的變化曲線圖，另外還可以顯示電極位移變化曲線。系統(tǒng)中采用了兩種形式繪制結(jié)構(gòu)的變形圖或位移圖，一種是將整個(gè)網(wǎng)格各點(diǎn)的變形圖都繪制出來，而另一種是只繪

12、制結(jié)構(gòu)的外框變形圖。這兩種方式各有利弊，前一種方式由于繪制了各點(diǎn)的變形，故能反映結(jié)構(gòu)各部分的變形情況，但是當(dāng)網(wǎng)格較密時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圖形顯示不夠清晰；而后一種方式只繪制出外部框架的變形，圖形很清晰，但是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變形不清楚。故系統(tǒng)中提供以上兩種變形圖來綜合反映結(jié)構(gòu)的變形情況。圖4和5分別表示了材料為LY12CZ鋁合金，板厚1.0mm薄板在電極壓力2.5KN條件下，焊接電流對(duì)的熔核形成與長大、電極位移的影響。計(jì)算結(jié)果很好的模擬了實(shí)際熔核形成長大與電極位移的變化過程。圖4點(diǎn)焊熔核長大曲線圖圖5電極位移曲線圖(2)等值線及彩色云圖為了形象、直觀的描述電阻點(diǎn)焊過程各時(shí)刻溫度、電勢(shì)、應(yīng)力應(yīng)變及位移等場(chǎng)量的分布

13、情況，系統(tǒng)可以繪制上述各場(chǎng)量的等值線及彩色云圖。等值線繪制采用網(wǎng)格插值法12,其基本思路是采用插值逐個(gè)網(wǎng)格單元追蹤每條等值線，獲取各條等值線在其所穿過的單元的棱邊上的坐標(biāo)值。將這些坐標(biāo)值存儲(chǔ)在動(dòng)態(tài)數(shù)組或鏈表之中，連接各坐標(biāo)點(diǎn)即可繪制出等值線圖。彩色云圖綜合運(yùn)用單元填充法和掃描線法繪制。對(duì)遠(yuǎn)離點(diǎn)焊內(nèi)熱源的單元采用單元填充法，由單元的平均值映射的顏色直接填充該區(qū)域；而對(duì)于處于點(diǎn)焊內(nèi)熱源附近的單元，由于場(chǎng)量值變化很劇烈，因此有必要深入單元的內(nèi)部由插值計(jì)算的場(chǎng)量值對(duì)應(yīng)的顏色繪點(diǎn)，形成這些單元的云圖采用的是掃描線算法。在等值線和云圖的顯示界面，采用從暗紅漸變到深藍(lán)的不同顏色標(biāo)識(shí)場(chǎng)量值的大小。鑒于篇幅不再詳細(xì)討論這兩種圖形的繪制算法。圖6所示為電阻點(diǎn)焊溫度場(chǎng)的等溫線圖；圖7為電阻點(diǎn)焊電勢(shì)場(chǎng)的彩色云圖。圖6點(diǎn)焊溫度場(chǎng)等溫線圖圖7點(diǎn)焊電勢(shì)場(chǎng)彩色云圖5結(jié)論本文介紹了自主開發(fā)的電阻點(diǎn)焊過程可視化模擬與分析軟件系統(tǒng)Visua