焊接變形的數(shù)值模擬分析方法

焊接變形的數(shù)值模擬分析方法匯報(bào)人：XX2024-02-06CONTENTS焊接變形概述數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介焊接熱源與熱邊界條件設(shè)置材料性能參數(shù)與模型建立焊接過(guò)程模擬與結(jié)果分析數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證與應(yīng)用拓展焊接變形概述01焊接過(guò)程中，由于局部加熱和冷卻作用，導(dǎo)致焊件形狀和尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象。焊接變形定義根據(jù)變形特點(diǎn)和表現(xiàn)形式，焊接變形可分為縱向收縮變形、橫向收縮變形、彎曲變形、扭曲變形、波浪變形等。焊接變形分類焊接變形定義與分類熱脹冷縮焊接過(guò)程中，局部加熱導(dǎo)致材料膨脹，而周?chē)^冷區(qū)域則限制其膨脹，從而產(chǎn)生應(yīng)力；冷卻時(shí)，已膨脹部分受周?chē)鷧^(qū)域約束不能自由收縮，進(jìn)而產(chǎn)生變形。不合理的焊接順序和方向可能導(dǎo)致熱量分布不均，進(jìn)而引發(fā)變形。材料的熱物理性能和力學(xué)性能對(duì)焊接變形有重要影響，如熱導(dǎo)率、比熱容、彈性模量等。不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可能增加焊接變形的傾向，如焊縫布置、構(gòu)件截面形狀等。焊接順序與方向材料因素結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊接變形產(chǎn)生原因焊接變形可能導(dǎo)致構(gòu)件尺寸偏離設(shè)計(jì)要求，降低制造精度。變形嚴(yán)重的構(gòu)件在裝配時(shí)可能產(chǎn)生較大間隙或無(wú)法對(duì)齊，影響裝配質(zhì)量。焊接變形可能導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，降低其承載能力和使用壽命。對(duì)焊接變形進(jìn)行修復(fù)可能需要額外的工時(shí)和材料成本，增加生產(chǎn)成本。降低尺寸精度影響裝配質(zhì)量削弱承載能力增加修復(fù)成本焊接變形對(duì)結(jié)構(gòu)影響數(shù)值模擬方法簡(jiǎn)介02基于變分原理和加權(quán)余量法有限元法以變分原理和部分插值為基礎(chǔ)，將連續(xù)的求解域離散為一組單元的組合體，用在每個(gè)單元內(nèi)假設(shè)的近似函數(shù)來(lái)分片地表示求解域上待求的未知場(chǎng)函數(shù)。單元剖分與插值函數(shù)將連續(xù)體劃分為有限個(gè)單元，并在每個(gè)單元中設(shè)定有限個(gè)節(jié)點(diǎn)，將連續(xù)體看作是只在節(jié)點(diǎn)處相連接的一組單元的集合體；同時(shí)選定場(chǎng)函數(shù)的節(jié)點(diǎn)值作為基本未知量，并在每一單元中假設(shè)一近似插值函數(shù)以表示單元中場(chǎng)函數(shù)的分布規(guī)律。離散化方程組的求解通過(guò)單元分析、總體合成等步驟，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為等效的節(jié)點(diǎn)力平衡方程組，然后利用數(shù)值方法求解得到場(chǎng)函數(shù)的近似解。有限元法基本原理差分代替微分有限差分法將求解域劃分為差分網(wǎng)格，用有限的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)代替連續(xù)的求解域，將偏微分方程中的微分用網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值的差商代替進(jìn)行離散，從而建立以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的值為未知數(shù)的代數(shù)方程組。邊界條件的處理在有限差分法中，邊界條件可以通過(guò)對(duì)差分方程進(jìn)行修正或調(diào)整來(lái)滿足。迭代求解過(guò)程通過(guò)迭代方法求解代數(shù)方程組，得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的函數(shù)值，進(jìn)而得到整個(gè)求解域上的近似解。有限差分法基本原理要點(diǎn)三只在邊界上劃分單元邊界元法是一種繼有限元法之后發(fā)展起來(lái)的一種新型數(shù)值方法，與有限元法在連續(xù)體域內(nèi)劃分單元的基本思想不同，邊界元法只在定義域的邊界上劃分單元，用滿足控制方程的函數(shù)去逼近邊界條件。要點(diǎn)一要點(diǎn)二邊界積分方程的建立通過(guò)邊界上的單元和節(jié)點(diǎn)信息，建立邊界積分方程，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為邊界上的積分計(jì)算問(wèn)題。求解域內(nèi)任意點(diǎn)的場(chǎng)函數(shù)值通過(guò)求解邊界積分方程得到邊界上的場(chǎng)函數(shù)值后，可以利用已知的邊界條件求解域內(nèi)任意點(diǎn)的場(chǎng)函數(shù)值。要點(diǎn)三邊界元法基本原理無(wú)網(wǎng)格方法01無(wú)網(wǎng)格方法是一種新興的數(shù)值計(jì)算方法，它不需要預(yù)先定義網(wǎng)格，而是基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。這種方法在處理大變形、斷裂、沖擊等問(wèn)題時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。離散元法02離散元法是一種專門(mén)用來(lái)模擬顆粒物質(zhì)的數(shù)值方法。它將顆粒物質(zhì)看作是由一系列離散的、相互作用的顆粒單元組成，通過(guò)跟蹤每個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)和相互作用來(lái)模擬顆粒物質(zhì)的宏觀行為。粒子模擬方法03粒子模擬方法是一種基于物理定律的數(shù)值模擬方法，它通過(guò)跟蹤大量粒子的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬流體、等離子體等物質(zhì)的宏觀行為。這種方法在處理復(fù)雜流動(dòng)、電磁場(chǎng)等問(wèn)題時(shí)具有較高的精度和效率。其他數(shù)值模擬方法焊接熱源與熱邊界條件設(shè)置03高斯熱源、雙橢球熱源、體熱源等，根據(jù)焊接工藝和材料特性選擇合適的熱源模型?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式，確定熱源模型的功率、半徑、深度等參數(shù)，以準(zhǔn)確模擬焊接過(guò)程中的熱輸入。焊接熱源模型選擇及參數(shù)確定熱源參數(shù)確定常用熱源模型包括對(duì)流、輻射、固定溫度等，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置合理的熱邊界條件。熱邊界條件類型考慮工件與周?chē)h(huán)境的熱交換，合理設(shè)置對(duì)流和輻射系數(shù)；對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可能需要采用組合邊界條件進(jìn)行模擬。注意事項(xiàng)熱邊界條件設(shè)置方法及注意事項(xiàng)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性。結(jié)果調(diào)整根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果，對(duì)熱源模型參數(shù)、熱邊界條件等進(jìn)行調(diào)整，以優(yōu)化模擬精度和效果。溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證與調(diào)整材料性能參數(shù)與模型建立04通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法獲得材料的力學(xué)性能、熱物理性能等參數(shù)，如拉伸實(shí)驗(yàn)、沖擊實(shí)驗(yàn)、熱膨脹系數(shù)測(cè)量等。實(shí)驗(yàn)測(cè)試參考相關(guān)文獻(xiàn)或材料手冊(cè)中提供的性能參數(shù)，需注意文獻(xiàn)來(lái)源的可靠性和數(shù)據(jù)的適用范圍。文獻(xiàn)數(shù)據(jù)基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果或?qū)嶋H工況，通過(guò)數(shù)值模擬反推材料的性能參數(shù)，需驗(yàn)證反推結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)值模擬反推對(duì)比不同來(lái)源的性能參數(shù)，進(jìn)行誤差分析和一致性檢驗(yàn)，確保所用參數(shù)的準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確性評(píng)估材料性能參數(shù)獲取途徑及準(zhǔn)確性評(píng)估根據(jù)實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，對(duì)幾何模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，降低計(jì)算復(fù)雜度。保留對(duì)焊接變形影響較大的幾何特征，如焊縫形狀、坡口尺寸等。對(duì)于復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，需考慮各部件之間的裝配關(guān)系，確保幾何模型的準(zhǔn)確性。采用參數(shù)化建模、對(duì)稱性利用等方法優(yōu)化幾何模型，提高計(jì)算效率和精度。幾何模型簡(jiǎn)化特征細(xì)節(jié)保留裝配關(guān)系考慮優(yōu)化策略幾何模型建立過(guò)程及優(yōu)化策略網(wǎng)格劃分技巧與質(zhì)量控制網(wǎng)格類型選擇網(wǎng)格劃分技巧網(wǎng)格密度控制網(wǎng)格質(zhì)量檢查根據(jù)幾何模型的特點(diǎn)和分析需求，選擇合適的網(wǎng)格類型，如結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格等。在焊縫及熱影響區(qū)等關(guān)鍵區(qū)域加密網(wǎng)格，提高計(jì)算精度；在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域適當(dāng)稀疏網(wǎng)格，降低計(jì)算成本。檢查網(wǎng)格的連續(xù)性、正交性、長(zhǎng)寬比等指標(biāo)，確保網(wǎng)格質(zhì)量符合分析要求。采用掃掠法、多區(qū)域劃分法等方法提高網(wǎng)格劃分效率和質(zhì)量。焊接過(guò)程模擬與結(jié)果分析05邊界條件設(shè)置根據(jù)實(shí)際焊接過(guò)程中的熱邊界條件和力邊界條件，設(shè)置模型的初始條件和約束條件。建立幾何模型根據(jù)實(shí)際焊接工件的形狀和尺寸，建立相應(yīng)的三維幾何模型。材料屬性定義為模型賦予與實(shí)際材料相符的物理屬性，如密度、熱導(dǎo)率、比熱容、彈性模量、泊松比等。焊接熱源模型選擇根據(jù)焊接方法和工藝參數(shù)，選擇合適的熱源模型，如高斯熱源、雙橢球熱源等。求解與后處理選擇合適的求解器進(jìn)行求解，并利用后處理軟件對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析和處理。焊接過(guò)程模擬步驟詳解展示焊接過(guò)程中不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布情況，分析溫度梯度和熱影響區(qū)范圍。展示焊接過(guò)程中不同時(shí)刻的應(yīng)力場(chǎng)分布情況，分析應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力的大小和分布。展示焊接過(guò)程中不同時(shí)刻的變形場(chǎng)分布情況，分析工件的變形情況和變形規(guī)律。溫度場(chǎng)分布應(yīng)力場(chǎng)分布變形場(chǎng)分布溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)結(jié)果展示分析材料熱物理性能和力學(xué)性能對(duì)焊接變形的影響，如熱導(dǎo)率、比熱容、彈性模量等。01020304探討焊接電流、電壓、焊接速度等工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的影響規(guī)律。研究工件幾何尺寸對(duì)焊接變形的影響，如板厚、焊縫長(zhǎng)度和寬度等。分析不同約束條件下工件的變形情況和應(yīng)力分布規(guī)律。焊接工藝參數(shù)幾何尺寸材料屬性約束條件關(guān)鍵因素影響規(guī)律探討數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證與應(yīng)用拓展06通過(guò)實(shí)際焊接實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性和可靠性。對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證專業(yè)軟件驗(yàn)證多參數(shù)綜合分析利用專業(yè)的焊接模擬軟件，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和分析。綜合考慮多種影響因素，如材料屬性、焊接工藝參數(shù)等，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行多參數(shù)綜合分析驗(yàn)證。030201數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證方法介紹通過(guò)數(shù)值模擬分析，優(yōu)化飛機(jī)、火箭等航空航天器的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性。航空航天領(lǐng)域利用數(shù)值模擬方法，對(duì)汽車(chē)車(chē)身焊接過(guò)程進(jìn)行模擬分析，優(yōu)化焊接工藝和設(shè)計(jì)方案，提高車(chē)身質(zhì)量和生產(chǎn)效率。汽車(chē)制造領(lǐng)域通過(guò)數(shù)值模擬分析，預(yù)測(cè)船舶焊接變形情況，優(yōu)化船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高船舶的航行性能和安全性。船舶制造領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用案例分享：優(yōu)化設(shè)計(jì)方案發(fā)展趨勢(shì)隨著計(jì)算機(jī)技