計算機輔助技術(shù)

1、計算機輔助焊接技術(shù)論文焊接數(shù)值模擬技術(shù)姓名：學(xué)號：班級：成型焊接數(shù)值模擬技術(shù)介紹了焊接數(shù)值模擬技術(shù)在焊接接頭微觀組織分析、焊接溫度場分析、焊接 應(yīng)力應(yīng)變分析、氫擴散分析方面的研究現(xiàn)狀，并對焊接數(shù)值模擬技術(shù)在這幾方面 的模擬方法、原理及模型的建立進行了較為詳細的介紹，最后，對我國焊接數(shù)值 模擬技術(shù)的發(fā)展進行了展望。焊接數(shù)值模擬方法一直是研究和電阻點焊過程的有效方法。詳細介紹了焊接 過程數(shù)值模擬技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進展。并指出了焊接過程數(shù)值模擬及應(yīng)用的發(fā)展 方向。關(guān)鍵詞：焊接；微觀組織；溫度場；數(shù)值模擬The Welding Process of The Development ofNumerical

2、 SimulationAbstract:This article introduced research status of welding numerical simulation technology from several aspects， suchas microstructure analysis on welding joints， welding temperature field analysis，welding stress and strain analysis， researchstatus of hydrogen diffusion o and detailedly

3、introduced its simulation method，principle and modeling. Finallytheprospect of China welding numericM simulation technology is carried out.Welding numerical simulation methods has been research and the effective method of resistance spot process. Detailed introduces the welding process of numerical

4、simulation technology research and progress. And points out the welding process and application of the numerical simulation development direction.Key Words: welding ； microstructure； temperature field ； stress-strain ； hydrogen diffusion； numerical simulation1引言1.1背景焊接是一個涉及電弧物理、傳質(zhì)傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，單純采用理

5、。 論方法，很難準確解決生產(chǎn)實際問題，而要得到一個高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)，必須要 控制這些因素。近20年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外研究者開始用計 算機對焊接進行數(shù)值模擬研究，以此來準確分析焊接中的一些現(xiàn)象。焊接數(shù)值模 擬技術(shù)的發(fā)展使焊接技術(shù)有了突破性的發(fā)展1。然而焊接又是一個高度非線性的電、熱、力等變量作用的耦合過程，其中包 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)力與變 形等，且電阻點焊熔核形成過程的不可見性和焊接過程的瞬時性給試驗研究帶來 了很大困難，使人們對電阻點焊的過程機理一直缺乏比較深入的認識。焊接熱彈 塑性有限元分析還是近幾年剛開始研究。其原因是由于三維

6、問題需要大容量的計 算機和較長的運算時間，同時對計算精度和收斂性等提出了更高的要求【2】。然 而實際的焊接結(jié)構(gòu)大多屬于三維問題，因此解決三維焊接熱彈塑性分析具有重 要的理論意義和實用價值計算機技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展為焊接研究提供了 有效的理論分析手段，國內(nèi)外的學(xué)者一直在嘗試利用數(shù)值模擬的方法來研究焊 接過程，已相繼建立了許多數(shù)值模型，并取得了很多突破.1.2數(shù)值模擬方法的發(fā)展過程數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于電阻點焊源自20世紀60年代，研究者們依據(jù)描述 力、熱、電過程的基本方程并對方程中參數(shù)變化和邊界條件進行簡化和假設(shè)，建 立了點焊過程的數(shù)學(xué)模型，進而用數(shù)值模擬的方法對點焊過程溫度場、電流場、 電勢和

7、應(yīng)力、應(yīng)變場進行求解，用以研究點焊過程機理【8】。其分析方法從有限 差分發(fā)展到有限元，模型從一維發(fā)展到三維，從單場分析發(fā)展到多物理場耦合 分析，考慮的因素越來越多并且越來越接近實際。學(xué)者Chang對此有過詳細的 總結(jié)?？偟膩碚f，點焊數(shù)值模擬分析方法的演化大致可以分為以下4個階段10。有限差分法。有限差分法在早期對碳鋼電阻點焊電熱分析中應(yīng)用得非常多。 其優(yōu)點是計算簡單，收斂性好，但是有限差分法無法求解力學(xué)問題。因此，焊接 過程中的力效應(yīng)和熱電效應(yīng)的相互作用無法通過有限差分法來表征和求解。有限單元法。1984年學(xué)者Nied首次采用有限單元法來模擬電阻點焊過 程中的預(yù)壓階段和通電階段，他指出忽視預(yù)壓

8、階段接觸半徑的變化是產(chǎn)生后續(xù) 誤差的根源，并通過計算獲得了預(yù)壓階段電極和工件(E /W)及工件之間(W /W)的實際接觸面積，并以此計算結(jié)果來進行熱、電耦合分析。與有限差分 法相比，有限單元法充分考慮了電極壓力對焊接過程中電極和工件、工件之間接 觸狀態(tài)的作用。但是，Nied的分析方法仍忽視了電極壓力對電流密度和接觸電 阻的影響。完全耦合的有限元法。1993年，Syed等【意識到焊接階段由于電極壓力 和受熱區(qū)熱膨脹的相互作用，W/W界面的實際接觸面積會不斷發(fā)生變化。因 此，他們提出了一種將電熱分析和熱力分析反復(fù)迭代、完全耦合的“電一熱一力” 分析方法。這種完全耦合的算法在理論上是嚴謹而精確的，它

9、是電阻點焊數(shù)值建 模方法的一次重大突破。然而這種分析方法計算量巨大，并有可能產(chǎn)生無法收 斂的數(shù)學(xué)問題。增量耦合的有限元法。它是Browne于1995年提出的一種更加穩(wěn)健的算 法，將熱力分析得到的接觸狀態(tài)結(jié)果以時間步長為增量更新到電熱分析中。其中 熱力分析采用Ansys軟件，電熱分析采用內(nèi)建的有限差分程序。這種算法至今 仍被眾多學(xué)者所沿用。2焊接接頭微觀組織的數(shù)值模擬在焊接過程中，快速加熱和快速冷卻都會使焊接接頭的微觀組織發(fā)生很大的 變化，影響焊接接頭的性能，而這些又很難用傳統(tǒng)的實驗法和數(shù)學(xué)模型來分析。 因此，人們開始應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對焊接接頭的微觀組織進行數(shù)值模擬。目前用 于焊接接頭微觀組織模

10、擬的方法主要有基于概率模型的Monte Carlo(MC)方法、 Cellular Automaton(CA)方 法及相場法102.1 Monte Carlo(MC)方法MC方法的實質(zhì)就是采用隨機抽樣的方法來解釋物理模型。1983年，Anderson 首先提出了將MC方法應(yīng)用于晶粒生長后尺寸分布等方的研究。Radhakrishnan和 Zacharia提出了修整MC的方法，把時間引入到模擬當(dāng)中MJ，于是，這種方法開 始逐步用于焊接接頭的微觀組織模擬。最初的MC方法，只能在等溫下模擬品粒 的成長過程【5】。M 丫等人應(yīng)用二維MC方法模擬竦板在激光焊過程中所形成的 熱影響區(qū)的組織，發(fā)現(xiàn)在加熱、冷卻

11、過程中，晶粒正常生長機制占很重要的地位。 JYANG z等人通過變溫條件下的三維MC方法模擬工業(yè)純鈦在焊接過程中的品粒 成長情況時發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)表面的散熱要快很多，導(dǎo)致品粒從表面到根部逐漸增 大。最后將以前的二維模擬進行了修正。2.2Cellular Automaton(CA)方 法CA法最早是由VonNeumannPUlam/作為一種可能的理想模型而提出的o7l,是 物理體系的一種理想化，可以說是一種建立模型的基本方法。元胞自動機在剛剛 提出的時候并未引起人們的足夠重視，直到，Wolfram較為詳細地給出了元胞自 動的一些數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)，才激發(fā)了人們對它的研究。GuillemotWCA模型與有

12、限 元(FE)模型結(jié)合，建立了一個模擬晶粒生長過程的宏觀偏析模型，模擬品粒在無 過冷時的生長情況。在我國，夏維國通過研究二維晶粒的生長動力學(xué)曲線， 并分析對其生長的影響，利用CA模型模擬了品粒的成長過程。CA法已經(jīng)普遍應(yīng) 用于相變微觀組織的轉(zhuǎn)變過程中，并得到了很好的效果。3數(shù)值模擬在焊接的發(fā)展3.1焊接數(shù)值模擬技術(shù)和理論預(yù)測計算機具有非常強大的數(shù)學(xué)計算和邏輯推理能力，可以模擬各種復(fù)雜現(xiàn)象 的再現(xiàn)。通過數(shù)值模擬，可以部分代替大量的試驗工作，具有很大的優(yōu)越性和高的 效益。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)必須要控制這些因素。近20年來，國內(nèi)外都對焊接預(yù)

13、測理論 和數(shù)值模擬技術(shù)進行了許多研究，取得了不少成果【4】。3.2焊接數(shù)值模擬的工業(yè)應(yīng)用丹麥科技大學(xué)JOM研究所的Zhang開發(fā)了一個新的有限元仿真程序： SORPAS，用于模擬鐵和銅的電阻焊過程。該程序可以進行有限元模型的前 處理、自動劃分網(wǎng)格和后處理，并圖形化顯示電流密度和熱分布。如今SORPAS 已經(jīng)發(fā)展成為商業(yè)化的電阻點焊仿真軟件，在BMW， DaimlerChrysler， Ford， Honda， Volkswagen， Volvo等汽車工業(yè)，ABB， Siemens等焊接生產(chǎn)線、電氣 設(shè)備制造中得到了廣泛的應(yīng)用回。圖一 Spotsim仿真過程圖二Spotsim對溫度的仿真結(jié)果圖三

14、Spotsim對熔核直徑的仿真結(jié)果4結(jié)論焊接數(shù)值模擬技術(shù)誕生以來，無論是其計算方法、模型建立都已經(jīng)取得了很 大的發(fā)展。同時其應(yīng)用領(lǐng)域也越來也廣泛，并為指導(dǎo)實際生產(chǎn)提供了極大的幫助。 但由于點焊過程的復(fù)雜性，目前點焊過程數(shù)值模擬仍需進一步完善。主要有以下 幾個方面。熔池內(nèi)流體流動劇烈，導(dǎo)致焊縫組織模擬困難，采用三維模型計算，建模 困難，計算量大，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。只實現(xiàn)了對個別材料的模擬，大部分材料的品 粒生長狀況，仍需進一步研究【7】數(shù)值模擬中接觸電阻的數(shù)學(xué)模型有待于進一步發(fā)展。在對接觸狀態(tài)進行假 設(shè)時應(yīng)結(jié)合實際過程，并通過試驗對相應(yīng)的接觸電阻的變化規(guī)律進行深入研究， 針對不同情況建立更加精確的接

15、觸電阻模型；建立點焊過程力、熱、電行為耦合分析的三維數(shù)值模擬模型。目前點焊過 程數(shù)值模擬模型多為二維軸對稱模型，尚不能對實際點焊生產(chǎn)中存在的分流及 復(fù)雜的接觸行為(如上下電極與工件的不對稱接觸和上、下電極壓力不共線時的 接觸等)進行模擬；結(jié)束語：計算機技術(shù)日新月異的發(fā)展，制造業(yè)在以計算機為基礎(chǔ)的先進制造技術(shù)帶 動下，將有一個很大的變化。焊接數(shù)值模擬技術(shù)也有了很大的發(fā)展，提高到了一個 新的階段。焊接變形隨著焊接線能量的增加而增加，因此應(yīng)選擇大功率高速度的 電子束單道焊接，既能保證焊透，又降低了焊接線能量，從而大大減小焊接變形 【3】已有的數(shù)值研究成果已使我們對復(fù)雜的焊接力學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律有了進

16、一 步的深入了解，從而為解決和控制這些問題帶來了新思路和新方法，并在工程中 有了不少成功的應(yīng)用實例。計算時間比較表明，自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)可以減少計算時 間近三分之一。這是必不可少的進一步應(yīng)用,數(shù)值模擬的焊接工藝過程的一部分 【9】?？梢韵嘈?，隨著人們對焊接過程和現(xiàn)象認知的進一步深入以及計算機技術(shù)的 高度發(fā)展，計算機與數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中應(yīng)用也必將越來越發(fā)展并20年來， 焊接數(shù)值模擬技術(shù)在溫度場、應(yīng)力場、電場中都得到了應(yīng)用。物理模擬和測試技 術(shù)的配合使用，提高數(shù)值模擬的精度和速度，加強焊接數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論及缺陷 形成原理的研究。將成為今后焊接數(shù)值模擬技術(shù)的重點。隨著對焊接過程中各種 現(xiàn)象的進一步深入

17、了解以及計算機技術(shù)的快速發(fā)展，焊接數(shù)值模擬技術(shù)及進一步 發(fā)展的虛擬制造技術(shù)，必將廣泛地應(yīng)用到焊接技術(shù)的研究及生產(chǎn)中，從而極大地 促進國民經(jīng)濟建設(shè)，推動生產(chǎn)制造的科學(xué)化、現(xiàn)代化和自動化進程。參考文獻:吳言高，李午申，鄒宏軍.焊接數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀J，2002, (3):1-2汪建華，鐘小敏，戚新海.管板接頭三維焊接變形的數(shù)值模擬J.焊接學(xué)報， 1995，(3):2-3魏良武，汪建華，姚舜.液力變矩器焊接的數(shù)值模擬和質(zhì)量控制J.汽車技術(shù)，2000，(3):2-3徐艷利.魏艷紅.董志波.張玉林.焊接接頭組織模擬進展J.2006, (2):3王力群.熊建鋼.黃安國.焊接接頭微觀組織模擬方法研究進展J.2003, (9):2-3李曉輝.汪蘇.肖玉平.焊接過程計算機仿真的算法研究J.2005, (12):4徐艷利.魏艷紅.董志波.張玉林.焊接接頭組織模擬進展J .材料科學(xué)與工 藝，2006，(02):3莫秉華.郭鐘寧.微電阻焊接技術(shù)的研究發(fā)展J.中國機械工程,2007,(02):