計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用

1、計(jì)算機(jī)輔助焊接技術(shù)論文計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用姓名： 學(xué)號(hào)： 班級(jí)： 計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用摘要：本學(xué)期我們系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了計(jì)算機(jī)輔助焊接工程這門課程。數(shù)值模擬是一種對(duì)復(fù)雜的工程和物理系統(tǒng)進(jìn)行仿真的技術(shù)，借助計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)焊接現(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值模擬,達(dá)到對(duì)工程問(wèn)題和物理問(wèn)題乃至自然界各類問(wèn)題研究的目的。概括介紹了數(shù)值模擬技術(shù)的概念及分析方法和焊接數(shù)值模擬的主要內(nèi)容及意義,綜述了國(guó)內(nèi)外焊接數(shù)值模擬在熱過(guò)程分析、冶金分析、應(yīng)力應(yīng)變分析、構(gòu)件使用性能分析、氫擴(kuò)散分析、特種焊接過(guò)程分析方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：焊接 計(jì)算機(jī) 數(shù)值模擬 應(yīng)用現(xiàn)狀前言HYPERLINK /z/Searc

2、h.e?sp=S計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在焊接中的應(yīng)用，是通過(guò)計(jì)算機(jī)的軟件在計(jì)算機(jī)中模擬一個(gè)物理過(guò)程，例如焊接熱過(guò)程、力學(xué)過(guò)程、熔池的形成過(guò)程、焊縫金屬的結(jié)晶過(guò)程及接頭組織性能預(yù)測(cè)、HYPERLINK /z/Search.e?sp=S焊接裂紋&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink焊接裂紋的形成過(guò)程、HYPERLINK /z/Search.e?sp=S焊接接頭&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink焊接接頭的力學(xué)行為、計(jì)算焊接

3、力學(xué)、HYPERLINK /z/Search.e?sp=S焊接電弧&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink焊接電弧的熱。力學(xué)行為、電源電弧系統(tǒng)的穩(wěn)定性、焊機(jī)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程、焊工操作技術(shù)等。在計(jì)算機(jī)中可隨意改變一個(gè)系統(tǒng)中的各種有關(guān)參數(shù)，研究其對(duì)結(jié)果輸出的影響。這樣不僅可以節(jié)省大量算機(jī)運(yùn)算速度快，能進(jìn)行多參數(shù)多方案的運(yùn)算比較，從而能揭示人們?cè)谝话阍囼?yàn)中不易發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。如果將計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)與前面介紹的計(jì)算機(jī)數(shù)字采集技術(shù)相結(jié)合，則將會(huì)產(chǎn)生更好的效果。1數(shù)值模擬方法的發(fā)展背景及過(guò)程20世紀(jì)70年代初日本大阪大學(xué)的上田幸雄教授等人首先以有限元法為基

4、礎(chǔ)提出了考慮材料力學(xué)性能與溫度有關(guān)的焊接熱彈塑性分析理論導(dǎo)出了分析焊接應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的表達(dá)式從而使復(fù)雜的動(dòng)態(tài)焊接應(yīng)力過(guò)程的分析成為可能。在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了深入的研究創(chuàng)建了“計(jì)算焊接力學(xué)”新興學(xué)科于近期即將出版相關(guān)專著。利用板殼理論在分析平板對(duì)接過(guò)程焊接應(yīng)力的基礎(chǔ)上提出了薄壁管對(duì)接環(huán)焊縫殘余應(yīng)力的計(jì)算方法并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較結(jié)果表明計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。但該方法是作為二維應(yīng)力狀態(tài)模型得到的計(jì)算公式對(duì)于厚壁管道的三維應(yīng)力狀態(tài)就不再適用了。Argyris等人于1978年又將管道對(duì)接環(huán)焊時(shí)的焊接應(yīng)力問(wèn)題進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化即認(rèn)為整個(gè)圓周上的焊接是同時(shí)作用在管道上的。由此建立了軸對(duì)稱的熱彈塑性有限

5、元模型對(duì)304不銹鋼管道環(huán)焊縫內(nèi)外表面的殘余應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算,內(nèi)外表面殘余應(yīng)力與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合說(shuō)明此模型適用于預(yù)測(cè)管道環(huán)焊縫殘余應(yīng)力。之后他又對(duì)管道多層焊焊接應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析了管道和的不銹鋼管道多層多道焊接時(shí)的殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制并與試驗(yàn)進(jìn)行比較計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果吻合較好隨著對(duì)熱彈塑性理論的深刻認(rèn)識(shí)和有限元方法的廣泛應(yīng)用德國(guó)學(xué)者首先提出用熱彈粘塑性組成的方程來(lái)分析焊接應(yīng)力。接著Chidiac對(duì)ASS1308不銹鋼材料分析了由焊接時(shí)引起的晶粒生長(zhǎng)規(guī)律并用熱彈粘塑性方程來(lái)預(yù)測(cè)焊接熱循環(huán)引起的殘余應(yīng)力結(jié)果發(fā)現(xiàn)縱向應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力值而橫向應(yīng)力約為縱向應(yīng)力的一半。進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的關(guān)鍵是對(duì)所研究的系統(tǒng)建立一個(gè)

6、能進(jìn)行分析的HYPERLINK /z/Search.e?sp=S數(shù)學(xué)模型&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink數(shù)學(xué)模型或軟件模型。由于目前HYPERLINK /z/Search.e?sp=S計(jì)算機(jī)應(yīng)用數(shù)學(xué)&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink計(jì)算機(jī)應(yīng)用數(shù)學(xué)技術(shù)、軟件技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)不僅能計(jì)算解析數(shù)學(xué)模型，還能計(jì)算HYPERLINK /z/Search.e?sp=S統(tǒng)計(jì)模型&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink統(tǒng)計(jì)模型、HYPERLINK /z/Search.

7、e?sp=S隨機(jī)過(guò)程&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink隨機(jī)過(guò)程、甚至各種HYPERLINK /z/Search.e?sp=S邏輯推理&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink邏輯推理模型。并且由于計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的發(fā)展，可以用各種二維或HYPERLINK /z/Search.e?sp=S三維圖形&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink三維圖形來(lái)表述分析或模擬的結(jié)果，有助于人們對(duì)事物發(fā)生變化的過(guò)程與結(jié)果進(jìn)行深入的分析。所以應(yīng)當(dāng)認(rèn)為客觀存在的任何一個(gè)過(guò)程，我們都可以設(shè)法用

8、計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬。2 數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)與焊接生產(chǎn)領(lǐng)域采用的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)方法相比，數(shù)值模擬方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以深入理解焊接現(xiàn)象的本質(zhì)，弄清焊接過(guò)程中傳熱、冶金、和力學(xué)的相互影響和作用；可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，從而減少實(shí)驗(yàn)工作量，縮短生產(chǎn)周期，提高焊接質(zhì)量，降低工藝成本。3 數(shù)值模擬的方法焊接過(guò)程數(shù)值模擬的方法焊接過(guò)程數(shù)值模擬的方法焊接過(guò)程數(shù)值模擬的方法焊接過(guò)程數(shù)值模擬的方法數(shù)值模擬的基礎(chǔ)是能用數(shù)學(xué)模型來(lái)描述自然界或工程界所發(fā)生的現(xiàn)象，通過(guò)模擬可以使這些現(xiàn)象重現(xiàn)出來(lái)，從而可以使人們對(duì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象的機(jī)制及各種影響因素有更深的了解。當(dāng)描述某一現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型可以用數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)或演繹求解時(shí)，所獲得

9、的結(jié)果就是解析解。對(duì)于一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，例如，高階的、非線性的，與時(shí)域相關(guān)的微分或積分方法，往往只能求助于數(shù)值方法求解、數(shù)值解法的計(jì)算工作量很大，但這對(duì)于當(dāng)今計(jì)算機(jī)技術(shù)以及數(shù)值計(jì)算理論發(fā)展水平來(lái)說(shuō)，這已不是不可克服的困難。常用的數(shù)值解方法有：差分法、有限元法、蒙特卡洛法。差分法的基礎(chǔ)是用差商來(lái)代替微商，也就是把微分方程變?yōu)椴罘址匠?，通過(guò)離散化的數(shù)值計(jì)算求得近似的數(shù)值解。有限元方法是將連接的物體本身離散化，分解為由有限個(gè)單元組成的高效化模型，即進(jìn)行網(wǎng)格劃分，進(jìn)而對(duì)離散化模型求數(shù)值解。由于這種方法概念清析，單元網(wǎng)格劃分形象、直觀，不受物體幾何形狀、邊界條件和物理特性的限制、適用性強(qiáng)、非常靈活、容

10、易掌握，因此得到了廣泛應(yīng)用。在有限元法的基礎(chǔ)上又發(fā)展了邊界元法。蒙特卡洛法是一種采用統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)的模擬方法。這種方法是通過(guò)統(tǒng)計(jì)量的值來(lái)計(jì)算隨機(jī)過(guò)程的參數(shù)。例如：焊接接頭疲勞斷裂可看作是一種隨機(jī)過(guò)程，就可以用蒙特卡洛法模擬疲勞斷裂失效的情況?？傊壳霸诤附舆^(guò)程的數(shù)值模擬中，基本上是以有限元法為基礎(chǔ)，配以解析解，有限差分，蒙特卡洛等方法，而且在實(shí)際應(yīng)用中，各種方法常常相互交叉滲透。例如：在焊接瞬態(tài)熱傳導(dǎo)數(shù)值模擬中，空間域采用有限元方法，而時(shí)間域則采用差分法，將兩種方法結(jié)合起來(lái)求解，可取得較好的效果。目前在進(jìn)行有限元分析時(shí)所用的軟件方面已經(jīng)有了不少優(yōu)秀的計(jì)算分析軟件，如：ABAQUS、ADINA、NA

11、STRAN、MARC、SYSWBLD等可供焊接工作者選用。這些軟件可以進(jìn)行二維甚至三維的電、磁、熱、力等各方面線性和非線性的有限元分析，而且具有自動(dòng)劃分有限元網(wǎng)格和自動(dòng)整理計(jì)算結(jié)果并使之形成可視化圖形的前后處理功能。因而，焊接工作者已經(jīng)無(wú)需自己從頭編制模擬軟件，可以利用上述商品化軟件，必要時(shí)加上二次開(kāi)發(fā)，即可以得到需要的結(jié)果，這就明顯地加速了焊接模擬技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程4 數(shù)值模擬的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景目前計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)已在焊接領(lǐng)域中得到應(yīng)用的方面簡(jiǎn)介如下：1)焊接熱過(guò)程的模擬焊接熱過(guò)程是指焊接時(shí)熱流產(chǎn)生的全部過(guò)程，焊接時(shí)熱流產(chǎn)生的熱循環(huán)引起焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化、HYPERLINK /z/Sear

12、ch.e?sp=S熱應(yīng)力&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink熱應(yīng)力和變形。因而對(duì)焊接時(shí)熱流的分析可能是焊接過(guò)程模擬的最基本的問(wèn)題。不恰當(dāng)?shù)臒崃骺赡軐?dǎo)致裂紋及脆性，HYPERLINK /z/Search.e?sp=S殘余應(yīng)力&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink殘余應(yīng)力可能引起變形及HYPERLINK /z/Search.e?sp=S脆性斷裂&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink脆性斷裂。因此焊接工程師試圖通過(guò)正確選擇設(shè)計(jì)和制造規(guī)范，包括板厚、接頭設(shè)計(jì)、焊接參數(shù)、

13、預(yù)熱溫度等去控制焊接熱過(guò)程從而控制冶金轉(zhuǎn)變和殘余應(yīng)力。由于對(duì)熱源形態(tài)及所焊工件板厚、傳導(dǎo)介質(zhì)等的假設(shè)不同，方程式可有不同形式。在計(jì)算機(jī)模擬時(shí)一般采用HYPERLINK /z/Search.e?sp=S差分法&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink差分法和HYPERLINK /z/Search.e?sp=S有限元法&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink有限元法。模擬結(jié)果計(jì)算機(jī)可以以溫度場(chǎng)分布、熱循環(huán)曲線等多種形式輸出。由于焊接熱過(guò)程具體情況比較復(fù)雜，因此往往針對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行模擬，例如有熱源的形狀和尺寸、熱性能的

14、溫度效應(yīng)、HYPERLINK /z/Search.e?sp=S輻射效應(yīng)&ch=w.search.yjjlink&cid=w.search.yjjlink輻射效應(yīng)、水下焊接、復(fù)雜接頭、多道焊及預(yù)熱條件下的熱過(guò)程等計(jì)算機(jī)模擬程序。2)焊接熔池中流體動(dòng)力學(xué)的模擬焊接熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)過(guò)程對(duì)確定熔池中的傳熱過(guò)程和溫度分布有重要作用，對(duì)熔池形狀和焊縫結(jié)晶過(guò)程有明顯的影響。而焊接熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)過(guò)程的影響因素十分復(fù)雜，和材料特性電弧作用力、電磁力、表面張力梯度、浮力、自然對(duì)流等因素有關(guān)，因此有人研究建立描述運(yùn)動(dòng)熔池中流體對(duì)流的數(shù)學(xué)模型，企圖對(duì)焊接熔池中液態(tài)金屬的流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬。3)焊接冶金過(guò)程的模

15、擬焊接冶金過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬包括對(duì)焊縫金屬的結(jié)晶過(guò)程、冶金組織的估計(jì)、最佳焊接規(guī)范的選擇等的模擬，這是目前在焊接中計(jì)算機(jī)模擬的最嚴(yán)酷的課題。4)焊接熱應(yīng)力、殘余應(yīng)力和變形的模擬由于在這方面的計(jì)算方法和計(jì)算公式研究較多，因此這方面的計(jì)算機(jī)模擬應(yīng)用也較多。目前研究的內(nèi)容有：焊接時(shí)瞬時(shí)熱應(yīng)力及金屬的運(yùn)動(dòng)，殘余應(yīng)力分析，殘余應(yīng)力對(duì)脆斷的影響，往復(fù)載荷下焊件中裂紋的生長(zhǎng)，焊件的變形，復(fù)雜接頭的拘束度，焊接柱子和薄板的穩(wěn)定強(qiáng)度等。今天，焊接數(shù)值模擬技術(shù)正進(jìn)入到焊接過(guò)程模擬的耦合集成階段，它可以解決現(xiàn)在難度較大的專用特性問(wèn)題，包括解決特種焊接變形及工藝優(yōu)化問(wèn)題。目前，我國(guó)已經(jīng)形成了一批較成熟的準(zhǔn)商品化的軟件，

16、但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，有較大差距。應(yīng)盡量以國(guó)外成熟商業(yè)軟件為基礎(chǔ)，將改進(jìn)提高與普及應(yīng)用相結(jié)合，加快數(shù)值模擬軟件開(kāi)發(fā)；要在工廠及科研單位普及這項(xiàng)技術(shù)，使之成為優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、科技攻關(guān)、技術(shù)創(chuàng)新的重要手段；要重視與物理模擬和測(cè)試技術(shù)的配合使用，提高數(shù)值模擬的精度和速度；要加強(qiáng)焊接數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論及缺陷形成原理的研究；要多渠道集資，支持?jǐn)?shù)值模擬研究工作；另外，我國(guó)目前的研究工作，有一些已接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，應(yīng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，集中優(yōu)勢(shì)力量，爭(zhēng)取做出更大的成績(jī)。相信在未來(lái)技術(shù)的高速發(fā)展以及人們對(duì)焊接變形過(guò)程認(rèn)知的進(jìn)一步深入,焊接變形數(shù)值模擬技術(shù)必將具有廣闊的應(yīng)用。5 結(jié)束語(yǔ)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展,制造業(yè)在以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的先進(jìn)制造技術(shù)帶動(dòng)下,將有一個(gè)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(gè)新的階段。已有的數(shù)值研究成果已使我們對(duì)復(fù)雜的焊接力學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律有了進(jìn)一步的深入了解,從而為解決和控制這些問(wèn)題帶來(lái)了新思路和新方法,并在工程中有了不少成功的應(yīng)用實(shí)例?？梢韵嘈?隨著人們對(duì)焊接過(guò)程和現(xiàn)象認(rèn)知的進(jìn)一步深入以及計(jì)算機(jī)