基于焊缝形状的二维焊接温度场模拟热源模型_刘川
热源模型的建立
焊接热源的作用模式对于高能束焊接，由于产生较大的焊缝深宽比，说明焊接热源的热流沿焊件厚度方向施加了很大的影响，必须按某种恰当的体积分布热源来处理。
具体采用双椭球体分布热源。
由于激光沿焊接方向运动，激光热流是不对称分布的。
由于焊接速度的影响，激光前方的加热区域要比激光后方的少；加热区域不是关于激光中心线对称的单个的半椭球体，并且激光前后的半椭球体形状也不相同。
如图1所示：作用于焊件上的体积热源分成前后两部分。
设双半椭球体的半轴为（a f ,a r,b h,c h）,设前、后半椭球体内热输入的份额分别是f f、f r。
前、后半椭球体内的热流分布：q f222222333)ff h hx y za b c---,0x≥q r(x,y,z)=√3 (f ra b cπ√π(−3x2a r2−3y2b h2−3z2c h2),x<0f f+f r=22。
焊接热传导的有限元法计算用有限元法分析热传导的过程是：1）把传热微分方程的求解问题转化为变分问题；2）对求解区域进行有限元分割，把变分问题近似地表达成线性代数方程组。
3）求解代数方程组，将所得的解作为热传导问题的解的近似值。
一．采用分段式双椭球模型理由：焊接过程中，由于焊接热源具有集中、移动的特点，会形成在空间和时间上梯度都很大的不均匀温度场，从而导致了焊接残余应力与变形的产生[l]。
因此，建立适当的热源模型，对焊接温度场进行准确模拟是焊接数值模拟的重要课题之一。
针对激光焊接过程的特点，可采用双椭球体热源模型模拟焊接热源。
双椭球体热源模型所描述的热流输入分布在一定的体积内，能够反映出热源沿深度方向对焊件进行加热的特点，在模拟电子束、激光焊接等具有穿透效应的深熔焊接过程时，能够获得较为准确的计算结果。
但由于焊接热源的高度集中性，如果直接采用移动热源进行计算，在建立有限元模型时，需要将焊缝及其附近区域的网格划分得很细，计算中也需要很多时间步进行迭代运算，这使得计算效率极为低下，从而对于一些实际复杂构件的焊接过程进行模拟实际上是不可行的。
焊接热过程和冶金过程
焊接 热 过程 和冶金 过程
２ ０ ２ ４ 小 孔等 离 子 弧 焊 接 热 场 的 有 限元 分 析 ／ ０６０９ 王 怀 刚 …／ 焊 接 学 报 ．２ ０ ，６ ７ ．４ ～ ５ ／ 一０ ５ ２ （ ）一９ ３
从而得到焊材本身 的物性参 数 以及焊接 参数 对温度 分布的影响情况。 最终确定影响搅拌摩擦 焊温度场 的 主要 因素 。模拟 结果 短示 。 ３ｍｍ Ｙ ２温 度场 呈碗 Ｌ １
上 的热 量 分 布 ［ ／只 ｏ 髓 Ｈ．Ｆ ／ Ｂｐ ， ｒ－ 俄］ Ｋ 哪 ．／Ｃ ａｏ ． ｐ ￣ｉ
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题 ， 平 板 对 焊 试 验 温 度 场 进 行 了 计 算 ． 析 丁 空 冷 对 分 和加紫铜散热条两种情况下的温度场分布 后发现 ： 按
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（）一～ １ ・ １６ ８ ．８ ２ ６ ，３
上， 考虑等离子弧 对熔池 的热一 作用 ， 力 建立 了符合 小 孔形态 的热源模型 ．￣ ｑＬ ｘ ｄ 等离 子弧焊接热场进行 了 有 限元 分析 ． 计算出的小孔等离子弧焊缝形状 与试验 结 果吻合 良好 。图 ｌ 表 ｌ ｌ （ ） 参 ２
～
５．６ ２，６４
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。
焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。
焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。
这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。
由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。
因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。
传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。
ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。
文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。
2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。
由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。
在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。
差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。
对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。
但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。
焊接过程中的温度场模拟及其优化
焊接过程中的温度场模拟及其优化焊接是一种热加工方法，通过热源将金属加热到熔化状态，使得两个金属材料在熔池的作用下相互融合，从而形成一个整体。
然而，焊接过程中的高温和温度梯度对材料的组织和性能产生了很大的影响。
因此，温度场模拟和优化是保证焊接接头质量的关键所在。
一、焊接温度场模拟的原理和方法温度场模拟是利用计算机数值分析方法，对焊接过程中材料受热冷却的过程进行模拟，以求得焊接接头的温度分布、热应力和变形等信息。
在焊接过程中，热源会产生高温，材料受热后产生热量逐渐扩散到材料周围，直至热量逐步消散。
因此，要进行温度场模拟首先需要建立完整的三维模型，并设定良好的热源参数、材料物性参数和边界条件等。
温度场模拟可以采用多种方法，如有限元法、有限差分法、边界元法等。
其中，有限元法是目前最常用的一种模拟方法。
有限元法的基本思想是将连续的物理空间划分为有限的单元，利用变分原理和微分方程求解每个单元的温度分布。
在实际模拟中，有限元法可以分为三个步骤：建立有限元模型、求解有限元方程、分析计算结果。
二、焊接温度场模拟的优化方法在焊接过程中，由于材料性质和接头几何形状等原因，产生的温度场分布不稳定，会导致接头形变和热应力，影响接头的质量。
因此，需要通过温度场模拟来优化焊接过程，减少焊接缺陷。
1、热源优化热源参数的优化是焊接温度场模拟的重要步骤。
通过调整热源功率、焊接速度、焊接角度等参数，可以对焊接过程进行控制。
热源功率是控制焊接温度场分布的关键因素。
在模拟过程中，可以通过调整热源功率控制焊接过程中的温度分布，达到控制热影响区大小和缩小焊缝宽度的效果。
2、材料参数优化焊接材料的物性参数是影响温度场分布的另一个关键因素。
不同材料的热传导系数、比热容等物性参数不同，会对温度场产生影响。
因此，在温度场模拟时需准确设置焊接材料的物性参数，以求得更真实、可靠的计算结果。
3、边界约束优化边界约束条件是影响焊接接头形变和变形的重要因素。
焊接温度场和应力场的数值模拟
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沈阳工业大学硕士学位论文焊接温度场和应力场的数值模拟姓名：王长利申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：董晓强 20050310沈阳工业大学硕士学位论文摘要焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。
焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。
一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。
本文在总结前人的工作基础上系统地论述了焊接过程的有限元分析理论，并结合数值计算的方法，对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时动态模拟研究，提出了基于ＡＮＳＹＳ软件为平台的焊接温度场和应力场的模拟分析方法，并针对平板堆焊问题进行了实例计算，而且计算结果与传统结果和理论值相吻合。
本文研究的主要内容包括：在计算过程中材料性能随温度变化而变化，属于材料非线性问题；选用高斯函数分布的热源模型，利用函数功能实现热源的移动。
建立了焊接瞬态温度分布数学模型，解决了焊接热源移动的数学模拟问题；通过改变单元属性的方法，解决材料的熔化、凝固问题；对焊缝金属的熔化和凝固进行了有效模拟，解决了进行热应力计算收敛困难或不收敛的问题；对焊接过程产生的应力进行了实时动态模拟，利用本文模拟分析方法，可以对焊接过程的热应力及残余应力进行预测。
本文建立了可行的三维焊接温度场、应力场的动态模拟分析方法，为优化焊接结构工艺和焊接规范参数，提供了理论依据和指导。
关键词：焊接，数值模拟，有限元，温度场，应力场沈阳工业大学硕士学位论文ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄＡｂｓｔｒａｃｔＷｅｌｄｉｎｇｉｓａｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａ／ｐｒｏｃｅｓｓｗｌｆｉｅｈｉｎｖｏｌｖｅｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ，Ｍａｔｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ，ｍｅｔａｌｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ，ｐｈａｓｅ?ｃｈａｎｇｅｗｅｌｄｉｎｇＳＯｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｏｎ，Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｈｉｇｈｑｕａｆｉｔｙｗｅｌｄｉｎｇｓｔｍｃｔｔｌｒｅ，ｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓｈａｖｅｔｏｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｉｆｃａｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅｂｅｓｔｄｅｓｉｇｎ，ｐｍｃｅｄｕｒｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｏｐｔｉｍｕｍｗｅｌｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＢａｓｅｄＯｉｌｓｕｍｍｉｎｇｕｐｏｔｈｅｒ’Ｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｅｍｐｌｏｙｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌ删ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅ３Ｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｎｕｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｏａｒｄｓｕｒｆａｃｉｎｇｂｙＦＥＭｓｏｆｔＡＮＳＹＳ．Ａｔｔｈｅｔｈｅｏｒｙｒｅｓｕｌｔ．ｓａｍｅｔｉｍｅ．ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔａｎｄＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐａｐｅｒａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｍａｔｅｒｉａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｃｅｄｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｈａｎｇｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＧａｕｓｓａｓｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｈｏｏｓｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｍｏｄｅｌ．ｕｓｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｔｏａｐｐｌｙｌｏａｄｏｆｍｏｖｉｎｇｈｅａｔＳ０１２Ｉｅ－２．ＡｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｗｅｌｄｉｎｇｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｖｉｎｇｏｆｔｈｅｈｅａｔｓｏＢｒｃｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｅｓｈｓｉｚｅ，ｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒａｄｉｕｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｒｃｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａ比ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｆｕｓｉｏｎａｎｄｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｒｔｈｅｕｎ—ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｌＴｅｓｓｉｓｓｏｌｖｅｄ；ｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌＳｌｌ℃ＳＳｉｎｗｅｌｄｉｎｇｃａｎｂｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｆｅａｓｉｂｌｅｓｌＩｅｓｓｄｙｎ黜ｆｉｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｎ３Ｄｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｏｎｆｉｅｌｄｈａｄｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｏｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫＥＹＷＯＲＤ：Ｗｅｌｄｉｎｇ，ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，Ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．２．独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
温度场和流场的模拟
温度场和流场的模拟天津职业技术师范⼤学Tianjin University of Technology and Education毕业论⽂专业：材料成型及控制⼯程班级学号：材料0912 - 09学⽣姓名：蔡⾔锋指导教师：⾼莹讲师⼆〇⼀四年六⽉天津职业技术师范⼤学本科⽣毕业设计TIG焊电弧温度场和流场的模拟Analog TIG welding arc temperature field and flow field专业班级：材料成型及控制⼯程--材料0912学⽣姓名：蔡⾔锋指导教师：⾼莹讲师学院：机械⼯程学院2014 年6 ⽉摘要钨极氩弧焊（TIG焊）是近代⼯业⽣产中应⽤⽐较⼴泛的⼀种焊接⽅法，这种焊接⽅法具有热影响区⼩、焊缝美观、易于控制等众多优点。
所以对TIG焊焊接技术进⾏数值模拟，能够更好的了解和控制整个焊接的过程，所模拟TIG焊电弧的温度场和流场具有重要的意义。
数值模拟技术应⽤⼴泛，本⽂就是采⽤有限元分析软件FLUENT，创建了符合实际的TIG焊⾃然燃烧电弧的有限元模型。
根据流体⼒学质量守恒、动量守恒和能量守恒⽅程，选取合理的边界条件，得到了TIG焊电弧的温度场流场分布的变化规律图。
通过FLUENT的后处理结果能够对TIG焊电弧内部的⼀些温度场、流场等情况进⾏形象的表述。
基于⾃然燃烧的TIG焊接电弧的数值分析，有助于进⼀步理解焊接过程的物理实质，合理地选择焊接⼯艺和⼯艺参数，并为冶⾦分析提供进⼀步的理论依据。
为今后的理论研究和⼯业⽣产奠定基础。
关键词：TIG 焊；FLUENT 软件；数值模拟；电弧AbstractGTAW (TIG welding ) is a modern industrial production, used widely as a welding method, this method has a small weld heat-affected zone , weld appearance, easy to control , and many other advantages. So for TIG welding techniques to simulate , to better understand and control the entire welding process , the simulated temperature and flow field TIG welding arc is of great significance .Numerical simulation of a wide range of technical applications, this paper is the use of finite element analysis software FLUENT, TIG welding creates realistic finite element model of the natural burning arc . According to hydrodynamic mass, momentum and energy conservation equations , selecting appropriate boundary conditions and the variations of temperature field in Figure TIG welding arc flow field distribution . Able for some temperature and flow fields, etc. TIG welding arc carried the image of the interior of expression through post-processing of results of FLUENT .Numerical TIG welding arc burning natural -based analysis helps to further understand the physical substance of the welding process , a reasonable choice of welding processes and process parameters, and provides a theoretical basis for further metallurgical analysis. Lay the foundation for future theoretical research and industrial production.Key Words：TIG welding; FLUENT software; numerical simulation; arc⽬录第1 章绪论 (1)1.2 国外对TIG焊接电弧的研究 (1)1.3 国内对焊接电弧的研究状况 (4)1.4 本⽂研究的内容和意义 (5)第2 章理论基础 (6)2.1 焊接电弧 (6)2.1.1⽓体原⼦的激发与电离 (6)2.1.2电⼦发射 (7)2.1.3弧柱区的导电特性 (7)2.1.4电弧的⼒学特性 (8)2.2 流体动⼒学基础 (8)2.2.1 质量守恒定律 (8)（2-1） (9)2.2.2 动量守恒定律 (9)2.2.3 能量守恒定律 (9)2.3 FLUENT 软件简介 (9)2.3.1 FLUENT 算法 (10)2.3.2 FLUENT 计算流程 (11)2.4本章⼩结 (11)第3 章焊接的数值模拟及分析结果 (12)3.1 焊接电弧的数学模型 (12)3.1.1 基本假设 (12)3.1.2 控制⽅程 ............................... 错误！未定义书签。
【国家自然科学基金】_焊缝形状_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
科研热词 激光焊 熔池 热源模型 预测 静力试验 铝合金 金属间化合物 过渡模式 贝氏体钢 计算误差 计算精度 裂纹 表面张力 线性度补偿 等离子弧焊 等离子弧 积分控制 电涡流传感器 熔滴 焊道 焊缝跟踪 焊缝形状 焊缝建模 焊缝偏差 焊接 热流分布 激光熔钎焊 激光深熔焊 温度场 流体流动 极限倾角 有限元 断裂机理 数值计算 数值模拟 拉伸试验 抗弹性能 成形 强度失配 异种金属 小孔 大功率光纤激光焊 受力性能 反演 内高压成形 充气结构 侵彻 体积热源模型 传热 不锈钢 tini形状记忆合金 rbf神经网络
科研热词 推荐指数 辅助气流 2 熔池 2 焊缝成形 2 激光焊接 2 铝合金 1 金属丝网衬垫焊剂颗粒 1 过程视觉监测 1 超窄间隙焊接 1 视觉传感 1 熔深增加 1 熔池小孔特征 1 焊缝识别 1 热裂纹 1 激光焊 1 流场 1 气流辅助增强匙孔激光焊 1 梁柱焊接节点 1 有限元分析 1 断裂性能预测 1 数值模拟 1 抗氢不锈钢 1 微观组织 1 工艺参数 1 大功率盘形激光焊 1 多特征 1 图像处理 1 信息融合 1 不锈钢薄板焊接 1 三维熔池 1 三维恢复 1 zk60镁合金 1 gtn细观损伤模型 1
推荐指数 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39
2012年 序号 1 2 3 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52
焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择
赵 欣等：焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择429焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择赵 欣 张彦华（北京航空航天大学机械工程学院，北京 100083）摘 要：建立合理的热源模型是焊接过程数值模拟结果准确可靠的前提。
本文总结了各种常用的热源模型，讨论焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择方法。
关键词：温度场；数值模拟；热源模型1 序 言焊接过程通常是材料在具有高能量密度的热源作用下，连接区域局部熔化或呈塑性状态，进而冷却形成焊缝和焊接接头的过程。
焊接的过程伴随着材料加热和冷却的热过程，研究焊接的热过程对于研究焊接冶金、焊缝凝固结晶、母材热影响区的组织和性能、焊接应力与变形以及焊接缺陷的产生等都有着重要的意义。
利用计算机技术对焊接过程的温度场进行数值模拟是研究焊接热过程的重要方法，通过数值计算可以得到焊接过程中母材上任意点任意时刻的瞬时精确解，而建立合理的热源模型是数值模拟计算结果准确可靠的前提。
本文在多年焊接数值模拟及实验经验的基础上讨论焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择方法。
确定数值模拟中的热源模型，即确定合理的焊接热流分布函数，使模拟的温度场符合实际焊接的情况。
热源模型的建立准则是熔池边界准则，即与实际焊接相比输入相同热量的情况下，如果使用所选热源模型所模拟得到的熔池区域边界（Fusion Zone Boundary ，FZB ）与实际焊缝熔合线相符，那么就认为此热源模型是合理的[1]。
对于现有热源模型的选择使用及发展均以此准则作为出发点，同时，这一准则也为判断所选模型是否合理提供了依据。
事实上，我们总是依据不同焊缝的热源特点和表现出的不同形貌特征来选择和组合热源模型，以使得模拟得到的熔池边界区域与实际焊缝融合线相符。
这样得到的焊接温度场数值模拟的结果是能够满足焊接力学分析的要求的。
2 表面热源模型 表面热源模型的特点是外界热量只是通过焊接构件表面输入，进而通过热传导把热量传输到焊接构件的每个部分。
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移动 , 基于焊缝几何形状的二维焊接温度场计算热源
可以表达为式(1):
q(t)=UVIpηexp
-3(v(t -tc))2 d2
(1)
式中 , U 是焊接电压 ;I 为焊接电流 ;η为电弧效率 ;
Vp 是加热体积 , 即为基于焊缝形状的热源作用体积 ;
d 是高斯参数 , 为热源作 用体积在焊接方 向上的半 长 , 也等于熔池表面在 焊接方向上的 尺寸的半长 ;t
图 6 中 , 距离焊缝 11.5mm 的点计算结果的峰值 温度和变化趋势和测量结果相近 , 反映了焊接温度陡 升陡降的特点 。 图 7 中 , 距离焊缝 16.5mm 的点远离 焊接区 , 第一道焊接的升温曲线和测量结果相近 , 降 温曲线比测量结果陡 , 即模拟结果的降温过程比试验 结果快 ;第二道焊接时的 模拟峰值温度低 于测量结
从图 6 , 图 7 , 图 8 中可以看出采用基于焊缝几何 形状的二维热源模型计算得到的温度结果和试验测 量结果相符 , 且在靠近焊缝区的温度符合最好 。
图 6 距焊缝 11.5mm(图 4 中 A 点)处温度曲线 Fig.6 Curve of temperature vs .time at point A in Fig.4
为热源加热时间 ;tc 等于加热时间的一半 。 式(1)中 的热源作用体积 Vp , 根据焊缝形状来计算 。 对于有
余高和没有余高的焊缝的加热体积计算分别见图 1
和图 2 所示 。
图 2 有余高的焊缝加热体积计算图 Fig.2 Heating volume of welding line with reinforcement
没有余高的焊缝的加热体积是由焊道高度 a 、工 件的间隙宽度 b 和在焊接方向上的熔池尺寸 c 及坡 口角度 θ决定的六面体决定(图 1 所示)。 带余高焊
2.2 有限元模型 以垂直于焊缝的平面建立二维有限元模型见图
4 所示 。其中 , 左端面为对称边界 , 其余表面为散热 边界 。计算时采用生死单元模拟多道焊 。将式(1)所 表示的热源模型在时间上离散 , 施加在各道焊缝单元 上进行计算 。 2.3 材料属性及边界条件
焊接过程中的不均匀温度分布和变化使焊接件 产生不可避免的焊接残余应力和变形 , 影响焊接产品 精度和性能 。对焊接变形和残余应力进行有效的预 测是工业生产中迫切需要解决的重要课题 。随着计 算机技术的发展 , 有限元法广泛应用于焊接热循环 、 焊接应力和变形的预测等方面的研究[ 1] 。 三维模型 有限元焊接数值模拟由于需要在焊接区域细化网格 以反映局部高温和高应力梯度 , 导致计算非常耗时 , 且在工程上多采用多道焊接 , 这更增加了计算时间 。 故对于工程而言 , 高效率的计算尤其重要 。
的计算模型 。 本文提出基于焊缝几何形状的二维有限元数值
模拟热源模型 , 根据焊缝几何形状来计算热源作用体 积 , 计算参数较少且焊缝几何尺寸容易测量 , 并考虑 焊接移动热源对二维平面的作用 , 采用高斯分布函数
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来表征热源在时间上的变化 。
材 料 热 处 理 学 报
第 29 卷
第 29卷 第2期 20 08 年 4月
材 料 热 处 理 学 报
TRANSACTIONS OF MATERIALS AND HEAT TREATMENT
Vol .2 9 No .2
April
2 00 8
基于焊缝形状的二维焊接温度场模拟热源模型
刘 川 , 张建勋 , 张林杰
(西安交通大学焊接研究所 , 陕西 西安 710049)
摘 要 :焊接温度场数值模拟准确性是焊接 应力变形数值的前提 。 二维模型由于其计算效率高是焊接过程 有限元数值模拟的常用模型 。 然而 , 三维热源转变为施 加在二维平面上的 热源需要 进行修正 。 本 文提出基 于焊缝几何形状的用于二维焊接温度场模拟 的热源模 型 , 根据焊 缝几何 形状来 计算热源 作用体 积 , 并考虑 了焊接移动热源对二维平面的作用 , 采用高斯分布函数 来表征热源在时间 上的变化 。 采 用该热源 模型对不 锈钢板多道对接焊和 p91 管对接焊的温度场模拟 , 模拟结果和 试验结果符合较好 。 关键词 :焊接 ; 有限元 ; 温度模拟 ; 热源模型 ; 焊缝 中图分类号 :TG402 文献标识码 :A 文章编号 :1009-6264(2008)02-0177-04
将三维简化为二维模型是提高计算效率最有效 的方法 。 实际上很多学者采用二维模型对焊接残余
收稿日期 : 2007-05-31 ; 修订日期 : 2007-10-23 基金项目 : 国家自然科学基金(50475093);中国 机械工程学 会焊接 分会创新思路预研经费资助(07-12-003) 作者简介 : 刘 川(1973 —), 男 , 西安 交通大学 材料科 学与工 程学 院博士研究生 , 研究方向为材料加工 过程数值 模拟 , 发表 论文 3 篇 , 电话 :029-82663115 , E-mail :chuanliu2003 @ 。
缝的热源作用体积可以通过 a , b , c , θ和余高半径 R 来计算(图 2 所示)。
对于 2D 情况 , 移动热源作用于二维平面上的时 间 t 相当于加热体积通过研究平面的时间 , 可由加热 体积在焊接方向上的尺寸 c 和焊接速度v 计算出来 。
2 不锈钢多道焊接温度场计算
2.1 不锈钢焊接多道焊接试验 采用 文 献[ 7] 的 试 验 数据 进 行 计 算 。 尺 寸 为
Heat source model for 2D welding temperature field
simulation based on the configuration of welding line
LIU Chuan , ZHANG Jian-xun , ZHANG Lin-jie (Welding Research Institute , Xi' an Jiaotong University , Xi' an 710049 , China)
图 8 图 4 中 C 点的温度曲线 Fig.8 Curve of temperature vs .time at point C in Fig.4
果 , 大致相差 50 ℃, 模拟结果的降温过程也比试验结 果快 , 但随冷却时间增加 , 模拟结果与测量结果趋于 一致 。图 8 中 , 第一道焊接时模拟结果比测量结果的 峰值温度低 20 ℃左右 , 第二道 焊接时模拟结果比测 量结果峰值温度低 50 ℃左右 , 模拟和测量的升温过 程曲线相近 。
应力和焊接变形及其影响因素 、对焊接头的疲劳强度 和疲劳寿命等进行了数值模拟[ 2-4] 。
焊接热过程的准确模拟是确保焊接应力变形等
分析可靠性的重要前提 , 而计算热源模型是焊接温度 模拟的首要问题 。 常用的焊接数值模拟热源模型大 都基于焊接熔池形状的模型 , 如Goldak 等[ 5] 提出的双 椭球热源模型 。 二维模型相对实际焊接过程更加简 化 , 因此采用二维模型计算所加载的热源模型至关重 要 。文 献[ 3] 和 文 献[ 4] 中 采 用等 效 均 匀 体 热 源 (DFLUX)加载在二维模型的焊缝单元上 。 基于焊接 熔池形状的热源模型要采用熔池的多个特征参数来 计算 , 而这些参数获取难度较大 ;均匀体热源 DFLUX 虽然简单 , 但是没有考虑到热源的移动 , 要不断调整 加热体积以使计算结果和试验结果相符来确定最终
Abstract :The Accuracy of welding temperature simulation is the basis of the welding stress and deformation simulation.2D finite element(FE) model is the common model for welding simulation for its short time cost.However , the heat source model , transformed from 3D model, must be modified when applying to 2D FE model .This paper suggests a heat source for 2-D arc welding temperature simulation based on the configuration of the welding line .The intensity of heat source changing with time is expressed by Gauss function to achieve the moving of the heat source on 2D plane .The computed temperature results using the proposed heat source model fit quite well with the experimental results. Key words:welding ;finite element(FE);temperature simulation;heat source model;welding line
304L 不锈钢随温度变化的热物性参数取自参考 文献[ 4] 。 考 虑 熔化 潜 热 , 304 不 锈钢 在 固 相温 度 1340 ℃和液相温度 1390 ℃之间的 熔化潜热为 260kJ kg 。散热边界条件包括对流和辐射边界 。 将对流系 数和辐射系数合并成复合散热系数[ 4] , 施加在自由表 面上 ;在对称边界上(图 4 左端面)是绝热边界条件 。
图 5 各焊道施加的热流密度变化 Fig.5 Heat flux against time for each pass
分别选取工件中心处距 离焊缝为 11.5mm(图 4 中 A 点), 16.5mm(图 4 中 B 点), 26.5mm(图 4 中 C 点)的节点 , 以节点开始升温时刻作为时间零点 , 绘出 各点的温度变化曲线分别见图 6 , 图 7 , 图 8 所示 。