焊接現(xiàn)象的數(shù)值模擬

焊接現(xiàn)象的數(shù)值模擬

0焊接數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)焊接是一項復(fù)雜的過程，包括物理、傳統(tǒng)性、財務(wù)和力學(xué)。如果只使用簡單的理論方法，就難以正確解決制造實際問題。因此,在研究焊接生產(chǎn)技術(shù)時,往往采用試驗手段作為基本方法,其模式為“理論—試驗—生產(chǎn)”,但大量的焊接試驗增加了生產(chǎn)的成本,且費(fèi)時費(fèi)力。隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展,引發(fā)了虛擬制造技術(shù)的熱潮,這其中就包括焊接熱加工過程的數(shù)值模擬。焊接數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn),為焊接生產(chǎn)朝“理論—數(shù)值模擬—生產(chǎn)”模式的發(fā)展創(chuàng)造了條件。焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展使焊接技術(shù)正在發(fā)生著由經(jīng)驗到科學(xué)、由定性到定量的飛躍。1焊接數(shù)值模擬基礎(chǔ)1.1過程的定量認(rèn)識焊接數(shù)值模擬,是以試驗為基礎(chǔ),采用一組控制方程來描述一個焊接過程或一個焊接過程的某一個方面,采用分析或數(shù)值方法求解以獲得該過程的定量認(rèn)識(如焊接溫度場、焊接熱循環(huán)、焊接HAZ的硬度、焊接區(qū)的強(qiáng)度、斷裂韌性等)。焊接數(shù)值模擬的關(guān)鍵是確定被研究對象的物理模型及其控制方程(本構(gòu)關(guān)系)。而焊接物理模擬是采用縮小比例或簡化了某些條件的模擬件來代替原尺寸形狀的實物研究(如焊接熱/力物理模擬、密柵云紋法分析應(yīng)力應(yīng)變、氫的瞬態(tài)分布電視錄象)。物理模擬可以校驗、校核數(shù)值模擬的結(jié)果,作為數(shù)值模擬的必要補(bǔ)充。1.2數(shù)值積分法和有限元法數(shù)值模擬是對具體對象抽取數(shù)學(xué)模型,然后用數(shù)值分析方法,通過計算機(jī)求解。經(jīng)過幾十年的發(fā)展,開發(fā)了許多不同的科學(xué)方法,其中有:(1)解析法,即數(shù)值積分法;(2)蒙特卡洛法;(3)差分法;(4)有限元法。數(shù)值積分法用在原函數(shù)難于找到的微積分計算中。常用的數(shù)值積分法有梯形公式、辛普生公式,高斯求積法等。蒙特卡洛法又稱隨機(jī)模擬法。即對某一問題做出一個適當(dāng)?shù)碾S機(jī)過程,把隨機(jī)過程的參數(shù)用由隨機(jī)樣本計算出的統(tǒng)計量的值來估計,從而由這個參數(shù)找出最初所述問題中的所含未知量。差分法的基礎(chǔ)是用差商代替微商,相應(yīng)的就把微分方程變?yōu)椴罘址匠虂砬蠼?。差分法的主要?yōu)點是對于具有規(guī)則的幾何特性和均勻的材料特性問題,其程序設(shè)計和計算簡單,易于掌握理解,但這種方法往往局限于規(guī)則的差分網(wǎng)格,不夠靈活。在焊接研究中差分法常用于焊接熱傳導(dǎo)、熔池流體力學(xué)、氫擴(kuò)散等問題的分析。有限元法起源于20世紀(jì)50年代航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析,現(xiàn)在它已被用來求解幾乎所有的連續(xù)介質(zhì)和場的問題。在焊接領(lǐng)域,有限元法已經(jīng)廣泛的用于焊接熱傳導(dǎo)、焊接熱彈塑性應(yīng)力和變形分析、焊接結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)分析等。在工程應(yīng)用中,上述數(shù)值方法常相互交叉和滲透。1.3焊接過程模擬焊接數(shù)值模擬包括以幾個下方面:(1)焊接熱過程的數(shù)值模擬;(2)焊接熔池液體流動及形狀尺寸的數(shù)值模擬;(3)焊縫金屬凝固和焊接接頭相變過程的數(shù)值模擬;(4)焊接應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)展過程的數(shù)值模擬;(5)非均勻焊接接頭的力學(xué)行為的數(shù)值模擬;(6)焊接接頭組織變化和熱影響區(qū)氫擴(kuò)散的數(shù)值模擬;(7)焊接結(jié)構(gòu)斷裂韌性、疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬。1.4模擬焊接過程的模擬焊接數(shù)值模擬的理論意義在于,通過對復(fù)雜或不可觀察的現(xiàn)象進(jìn)行定量分析和對極端情況下尚不知的規(guī)則的推測和預(yù)測,實現(xiàn)對復(fù)雜焊接現(xiàn)象的模擬,以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象本質(zhì),弄清焊接過程規(guī)律。焊接數(shù)值模擬的現(xiàn)實意義在于,根據(jù)對焊接現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬,可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝設(shè)計,從而減少試驗工作量,提高焊接接頭的質(zhì)量。2建立研究中的規(guī)則1962年,丹麥人首次用計算機(jī)有限差分法進(jìn)行鑄件凝固過程的傳熱計算,進(jìn)入70年代,更多的國家加入到這個研究行列,并從鑄造逐步擴(kuò)展到鍛壓、熱處理、焊接。我國焊接界數(shù)值模擬研究起步于80年代初,近年來很多的科研單位和個人投入到了這項研究中,并取得了積極的進(jìn)展。2.1溫度場數(shù)值計算前處理焊接熱過程分析包括焊接熱源的大小和分布形式分析、熱物理性能隨溫度變化的影響分析,焊接熔池中的流體動力學(xué)和傳熱分析,焊接電弧的傳熱傳質(zhì)分析,以及各種實際焊接接頭形式、焊接程序、焊接工藝方法的邊界條件處理等。利用數(shù)值方法計算焊接熱過程,為合理選擇焊接方法和工藝參數(shù)以及進(jìn)一步進(jìn)行冶金分析和動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變分析奠定了基礎(chǔ)。焊接熱過程的數(shù)值分析開始于20世紀(jì)70年代。1985年樊丁和M.Ushio在假定電流為高斯分布的條件下,計算了電弧的壓力場分布規(guī)律,建立了較完善的電弧傳熱傳質(zhì)數(shù)值模型;J.J.Lowke采用了一個統(tǒng)一的電弧-電極處理系統(tǒng)對GTAW和GMAW焊接時電極的溫度進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測,該二維模型可在任何給定電流、焊接氣體和電極形狀下進(jìn)行分析。文獻(xiàn)首次將電弧看作輻射狀并呈高斯分布的二維熱流作用于工件表面,解決了電弧產(chǎn)熱問題;通過淬液法測試金屬的固相分?jǐn)?shù)隨溫度變化率,得到凝固潛熱釋放率;采用增大熱傳導(dǎo)系數(shù)的方法并考慮熔池內(nèi)流體流動對整個溫度場的影響,建立了二維焊接凝固裂紋溫度場計算模型。文獻(xiàn)在ADINA&T的基礎(chǔ)上,建立了包括網(wǎng)格劃分、材料性能參數(shù)輸入和焊接參數(shù)輸入的輸入模塊,實現(xiàn)了參數(shù)的輸入、預(yù)覽等基本功能;同時編制了時間函數(shù)自動生成模塊,實現(xiàn)了用時間函數(shù)來描述焊接工程中的電弧熱輸入;設(shè)計了單元死活時間自動計算模塊,成功的實現(xiàn)了單元”活-死-活”過程,最終形成了可以引導(dǎo)技術(shù)人員完成復(fù)雜的凝固裂紋數(shù)值模擬的自動前處理系統(tǒng)。文獻(xiàn)以ADINA&T為中心計算軟件,利用VB6.0為主要編程語言,借助MATLAB及MatrixVB矩陣運(yùn)算函數(shù)庫,建立了溫度場數(shù)值模擬后處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過位置和時間步設(shè)置,實現(xiàn)了任意位置和時刻溫度場的三維、等高線、橫截面、縱截面和循環(huán)線的顯示。2.2焊接熱分析中的數(shù)和組織的研究焊接過程冶金分析包括焊接熔池中的化學(xué)反應(yīng)和氣體吸收、焊縫金屬的結(jié)晶、溶質(zhì)的再分配和顯微偏析、氣孔、夾渣和熱裂紋的形成、熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生的相變和組織性能變化,以及氫擴(kuò)散和冷裂紋等的預(yù)測。為保證接頭質(zhì)量,對焊接冶金過程和焊接接頭組織性能的預(yù)測、優(yōu)化,以及對工藝參數(shù)的選擇是一非常重要的課題。美國OakRidge國家試驗室的S.A.David等人對焊縫金屬中顯微組織的建模進(jìn)行了較全面深入的研究,并試圖用一個通用和集成的模型來預(yù)測焊縫組織的發(fā)展,它是焊縫金屬成分和焊接參數(shù)的函數(shù),適合于任何合金系統(tǒng)。H.Cerjak等發(fā)展了一個綜合的計算機(jī)程序“HAZ-CACULATOR”,提供了大約50個冶金計算法,可用于非合金鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、調(diào)質(zhì)鋼、低合金鋼、耐熱鋼與奧氏體不銹鋼。關(guān)于熱影響區(qū)的相變和組織性能的預(yù)測,最初是根據(jù)SH-CCT圖結(jié)合熱計算來預(yù)測組織和硬度的,隨著研究工作的不斷深入,開始重視溫度、相變和熱應(yīng)力之間的耦合效應(yīng)。D.F.Watt和C.Henwood等提出了一個預(yù)測模型,對焊接熱影響區(qū)傳熱和組織變化的耦合進(jìn)行了研究。國內(nèi)在這一領(lǐng)域研究較少。文獻(xiàn)提出了一個焊接SH-CCT圖的計算機(jī)輔助推定模型,利用該模型可以實現(xiàn)給定鋼材化學(xué)成分,計算機(jī)自動制定出焊接SH-CCT圖。2.3殘余應(yīng)力的測量焊接應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)值分析的研究,包括焊接動態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變過程,焊接殘余應(yīng)力和殘余變形、拘束度和拘束應(yīng)力以及消除應(yīng)力處理等。這對預(yù)防焊接裂紋和提高接頭的性能有很大益處。20世紀(jì)70年代初,日本的上田幸雄等首先以有限元為基礎(chǔ),提出了考慮材料力學(xué)性能與強(qiáng)度有關(guān)的熱彈塑性分析理論,從而使復(fù)雜的動態(tài)焊接應(yīng)力應(yīng)變過程的分析成為可能。他的理論成果可以歸納為以下幾個方面:(1)焊接熱彈塑性基本理論;(2)焊接應(yīng)力的發(fā)生機(jī)制和殘余應(yīng)力分布狀態(tài);(3)消除應(yīng)力退火;(4)焊接裂紋及其力學(xué)指標(biāo);(5)固有應(yīng)變理論;(6)基于固有應(yīng)變理論的二維殘余應(yīng)力測定法;(7)高精度焊接變形的預(yù)測;(8)焊接應(yīng)力變形對焊接接頭的強(qiáng)度影響等。法國的J.B.Leblon對相變時鋼的塑性行為進(jìn)行了理論和數(shù)值研究,在研究基礎(chǔ)上發(fā)展了SYSWELD軟件;T.Tnouce等研究了伴有相變的溫度變化過程中,溫度、相變、熱應(yīng)力三者之間的耦合效應(yīng),并提出了在考慮耦合效應(yīng)的條件下本構(gòu)方程的一般形式。文獻(xiàn)通過采用單元再生、單元死活方案,消除了焊接構(gòu)件中熔池變形對熔池尾部應(yīng)力應(yīng)變場的影響;通過加大材料線膨脹系數(shù)的方法,考慮凝固收縮對熔池尾部應(yīng)力應(yīng)變場的影響;通過采用熱彈、塑性力學(xué)方法處理了固相區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系,從而建立了一種計算凝固裂紋驅(qū)動力的有效方法。文獻(xiàn)針對實際結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬,研究了焊接移動熱源、動態(tài)可逆的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)、焊縫熔敷金屬填充的處理、并行計算、材料性能在高溫時的處理、降階積分等關(guān)鍵性問題,提出了相似理論、快速焊接變形實時測量在焊接數(shù)值模擬中的應(yīng)用。文獻(xiàn)利用ADINA非線性分析有限元程序,對低碳鋼管道環(huán)焊縫接頭焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行有限元分析。在熱彈塑性分析中考慮了材料熱物理和力學(xué)性能依賴于溫度變化。結(jié)果表明,在管道接頭內(nèi)表面焊縫中心及近縫區(qū)軸向和環(huán)向殘余應(yīng)力均為拉應(yīng)力,隨離開焊縫距離的增加,逐漸過渡為壓應(yīng)力;在管道接頭外表面焊縫中心處的軸向殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力,而環(huán)向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力,計算預(yù)測值與實測值基本一致。近年來,文獻(xiàn)在焊接結(jié)構(gòu)變形方面進(jìn)行的廣泛研究取得了較大進(jìn)展,并已應(yīng)用于三峽1200t橋式起重機(jī)主梁焊接變形的控制和大型挖掘機(jī)的工藝設(shè)計中。2.4延性斷裂韌度統(tǒng)計分布的數(shù)值模擬焊接結(jié)構(gòu)完整性評定包括焊接接頭應(yīng)力分布狀態(tài)、焊接構(gòu)件的斷裂力學(xué)分析、疲勞裂紋的擴(kuò)展、殘余應(yīng)力對脆斷的影響、焊縫金屬和熱影響區(qū)對性能的影響等。其中對焊接接頭斷裂力學(xué)分析的研究最為活躍。國際焊接學(xué)會(IIW)的第X分委會近來的研究中心就是對焊接接頭斷裂韌性的研究。德國GKSS的M.Cocak、日本的M.Toyoda,F.Minami等人在這方面做了許多工作。F.Minami等采用局部近似法(該方法引入Weibull應(yīng)力σw作為一個可挑選的斷裂驅(qū)動力)定量研究了不均質(zhì)焊接接頭的斷裂阻力,該近似法已用于強(qiáng)度不匹配對斷裂韌性結(jié)果影響的預(yù)測,以及從韌性試驗結(jié)果到焊接接頭斷裂使用評價的變換性分析,顯示出了優(yōu)越性。基于單試樣延性斷裂韌度的試驗確定方法,文獻(xiàn)建立了一種延性斷裂韌度統(tǒng)計分布的數(shù)值模擬模型,可較好地處理各種非固定因素引起的延性斷裂韌度的統(tǒng)計變異性。在計算機(jī)上易實現(xiàn)大樣本量的模擬、得到較準(zhǔn)確的延性斷裂韌度的統(tǒng)計分布及其參數(shù),同時還可進(jìn)行敏感性分析。近年來,上海交通大學(xué)開展了廣泛的國際合作,在焊接力學(xué)數(shù)值模擬領(lǐng)域取得了以下主要成果:(1)研究了適合各種焊接熱輸入條件下的焊接傳熱有限元分析方法和相應(yīng)的計算機(jī)程序,研究了提高三維焊接熱彈塑性有限元計算精度和穩(wěn)定性的有效方法并在若干三維復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的分析以及失效變形之中得到成功應(yīng)用;(2)引入考慮高溫蠕變的粘彈塑性有限元方法,對局部焊后熱處理的評定準(zhǔn)則進(jìn)行了全面研究,提出了新的評定方法;(3)提出和發(fā)展了基于彈性計算的預(yù)測焊接變形的殘余塑變有限元方法,包括采用三維板殼單元和考慮大變形。一些理論成果已經(jīng)應(yīng)用于實際工程中,如空調(diào)壓縮機(jī)的焊接變形與應(yīng)力分析,大型艇體結(jié)構(gòu)的焊接變形預(yù)測,600MW核電凝氣器焊接變形分析等。2.5氫的擴(kuò)散與聚集氫是引起高強(qiáng)鋼冷裂紋的三大要素之一。焊接氫擴(kuò)散過程相當(dāng)復(fù)雜,受到接頭組織、溫度、應(yīng)力、塑性應(yīng)變等多種因素影響,因此要尋找它的解析解十分困難。目前數(shù)值分析方法已應(yīng)用于焊接氫的擴(kuò)散與聚集的研究。B.Bets等通過氫擴(kuò)散和聚集行為的數(shù)值分析評價了焊接接頭層狀撕裂的影響。E.Takahashi等采用了有限差分法評價了一個多層焊縫中氫的分布,FDM計算結(jié)果與試驗測定相當(dāng)吻合。文獻(xiàn)采用ABAQUS有限元分析軟件對氫在不均質(zhì)焊接接頭的擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬計算,得到了焊接接頭隨時間延遲,焊縫金屬中氫的濃度逐漸降低,而熔合區(qū)以外區(qū)域氫的濃度經(jīng)歷了一個峰值變化過程的結(jié)論。該結(jié)論可用于指導(dǎo)焊接熱過程中的工藝制訂。2.6激光點焊熱傳導(dǎo)模型H.A.Nied在1984年提出了一個電阻點焊過程的有限元模型。該模型可以用來分析壓力和焊接循環(huán),預(yù)測溫度分布、熱膨脹及其應(yīng)力和熔核的幾何尺寸。A.Matsunawa等提出了一個激光脈沖點焊熱傳導(dǎo)以及快速熔化和凝固的模型,該模型考慮到了潛熱的影響,可用來選擇凝固時合適的熱循環(huán),從而減少有裂紋敏感性的合金脈沖激光點焊時的熱裂紋傾向。文獻(xiàn)根據(jù)相變擴(kuò)散連接的特殊性,建立了鈦/不銹鋼相變擴(kuò)散連接界面區(qū)元素擴(kuò)散、金屬間化合物的生長和成長行為的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)對PBGA封裝制造時釬料球的激光重熔過程中的溫度場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬,考慮了多點和掃描兩種激光加熱方式對溫度場的影響規(guī)律,并將成果成功用于生產(chǎn)中。3焊接數(shù)值模擬的必要性近10年來,焊接數(shù)值模擬技術(shù)不斷向深度、廣度發(fā)展,研究工作已普遍由建立在溫度場、電場、應(yīng)力應(yīng)變場基礎(chǔ)上的旨在預(yù)測宏觀尺度的模擬進(jìn)入到以預(yù)測組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度及微觀尺度的模擬階段;由單一的溫度場、電場、流場、應(yīng)力應(yīng)變場、組織模擬進(jìn)入到耦合集成階段;由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大的專用特性問題,包括解決特種焊接模擬及工藝優(yōu)化問題,解決焊接缺陷消除等問題;由孤立研究轉(zhuǎn)向與生產(chǎn)系統(tǒng)及其它技術(shù)環(huán)節(jié)實現(xiàn)集成,成為先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要組成部分。經(jīng)過多年研究,中國已經(jīng)形成了一批較成熟的準(zhǔn)商品化的軟件,但與發(fā)達(dá)國家相比,有較大差距。應(yīng)盡量以國外成熟商業(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)值模擬軟件開發(fā)。要在工廠及科研單位普及這項技術(shù),使之成為優(yōu)化工藝設(shè)計、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,中國目前的研究工作,有一些已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平,如焊接凝固裂紋精確評價技術(shù)及開裂判據(jù)、焊接氫致裂紋精確評價技術(shù)及開裂判據(jù)、