数值模拟在焊接中的应用

数值模拟在焊接中的应用

摘要：焊接是一复杂的物理化学过程,借助计算机技术,对焊接现象进行数值模拟,是国内外焊接工作者的热门研究课题,并得到了越来越广泛的应用。概括介绍了数值分析方法,综述了国内外焊接数值模拟在热过程分析、残余应力分析、焊接热源分析方面的研究现状及发展趋势。

关键词：焊接；数值模拟；研究现状

焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程,单纯采用理论方法,很难准确的解决生产实际问题。因此,在研究焊接生产技术时,往往采用试验手段作为基本方法,其模式为“理论—试验—生产”,但大量的焊接试验增加了生产的成本,且费时费力。计算机技术的飞速发展给各个领域带来了深刻的影响。结合数值计算方法和技术的不断改进，工程和科学中越来越多的问题都可以采用计算机数值模拟的方法进行研究。采用科学的模拟技术和少量的实验验证，以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模拟解决一些目前无法在实验室里直接进行研究的复杂问题。用数值方法仿真实际的物理过程，有时被称为“数值实验”。作为促进科学研究和提高生产效率的有效手段，数值实验的地位已经显得越来越重要了。在工程学的一些领域中，已经视为和物理实验同等重要。与焊接生产领域采用的传统经验方法和实验方法相比，数值模拟方法具有以下优点：

（l）可以深入理解焊接现象的本质，弄清焊接过程中传热、冶金、和力学的相互影响和作用；

（2）可以优化结构设计和工艺设计，从而减少实验工作量，缩短生产周期，提高焊接质量，降低工艺成本。

一、焊接数值模拟中的数值分析方法

数值模拟是对具体对象抽取数学模型,然后用数值分析方法,通过计算机求解。经过几十年的发展,开发了许多不同的科学方法,其中有：(1)解析法,即数值积分法；(2)蒙特卡洛法；

(3)差分法；(4)有限元法。数值积分法用在原函数难于找到的微积分计算中。常用的数值积分法有梯形公式、辛普生公式,高斯求积法等。蒙特卡洛法又称随机模拟法。即对某一问题做出一个适当的随机过程,把随机过程的参数用由随机样本计算出的统计量的值来估计,从而由这个参数找出最初所述问题中的所含未知量。差分法的基础是用差商代替微商,相应的就把微分方程变为差分方程来求解。差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题,其程序设计和计算简单,易于掌握理解,但这种方法往往局限于规则的差分网格,不够灵活。在焊接研究中差分法常用于焊接热传导、熔池流体力学氢扩散等问题的分析。有限元法起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析,现在它已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域,有限元法已经广泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等。在工程应用中,上述数值方法常相互交叉和渗透。

二、焊接熔池的传热与流体流动模拟进展

焊接熔池的传热和流体流动计算机模拟是焊接模拟领域的一个重要领域,同时也是焊接冶金模拟中最为复杂的一个方向之一。因为焊接过程中大部分非平衡的物理、化学反应都在短时间内集中在焊接熔池这一局部高温区域内,这部分区域存在着很大程度上的成分、组织和性能的不均匀性。而对焊接熔池的物理测试十分困难,且费用大,因此大部分的研究是基于数值模拟的基础进行的。对焊接熔池的数值模拟有助于人们从更深层次上理解焊接过程的物理实质,模拟的结果有利于实现对焊接过程的控制。但目前关于焊接熔池的传热与流体流动模型都是建立在大量的假设和简化基础上的[1~3],因而模拟结果与实际有一定的出入,需要

今后的不断改进。在模拟焊接熔池传热与流体流动中,除了一些简单的模拟焊接熔池传热外,一般焊接熔池传热和流体流动的模拟都没有解析解,这就需要对模型进行数值求解。常用的数值模拟方法有有限差分方法、有限元法、数值积分方法等,目前对焊接熔池的模拟基本都是用有限差分方法和有限元方法。

今后的焊接熔池模拟发展主要朝着计算精度方向和计算规模两个方向发展。在计算精度方面就要求对焊接熔池的数学物理模型仔细考虑,在能够运算的前提下,尽量少地简化模型来提高计算精度。同时对模拟中材料的热物理参数的值也要进行精确测量,因为材料的热物理参数是随温度变化而变化的,只有材料的热物理参数准确,才能使模拟的结果与实际相符。另一方面,计算规模是限制计算精度的一客观因素,在不改变硬条件的基础上,提高计算效率,改进现有计算算法也是提高计算规模的一个很好办法。从焊接熔池传热与流体流动模拟发展方向上来看,今后模拟主要朝着以下几个方向发展:(1)由二维简单模拟向三维模拟方向发展;(2)由准稳态熔池向瞬时的、非稳态的熔池模拟方向发展;(3)由平的焊接熔池表面假设向具有自由表面的焊接熔池模拟方向发展;(4)焊接熔池液体金属的流动由层流向紊流方向发展;(5)由不可压缩流体向可压缩流体的方向发展。

三、焊接残余应力数值模拟的研究与发展

近20年来,国内外对焊接残余应力的模拟技术进行了许多研究,取得了不少成果。焊接应力与应变的数值分析研究包括:焊接动态应力应变过程、焊接残余应力与残余变形、拘束度与拘束应力、消应力处理等。但应看到这些研究还处在初步阶段,还有许多工作需要深入研究,但必须正确阐明焊接现象的本质,才能建立起正确的模型。

焊接残余应力数值模拟研究主要在以下几个方面取得了重要成就：

(1) 研究了提高三维焊接热弹塑性有限元计算精度和稳定性的有效方法,研制了相应的计算机程序,并为若干三维复杂焊接构件的分析提供了有利工具。

(2) 建立了特种焊接的数学模型如:激光焊、点焊、钎焊、摩擦焊等的传热和力学模型。

(3) 对相变和耦合效应成功进行了有限元分析。

(4) 动态网格自适应生成技术的应用。

(5) 并行计算技术的应用。

(6) 单元死活技术的应用。

(7) 分段移动热源技术的应用,可大大提高焊接三维数值分析的计算效率。

随着计算机软、硬件及有限元软件技术的发展,焊接残余应力数值模拟技术将不断完善,其模拟结构也向着三维化、整体化、精密化方向发展,其模拟范围不仅包括各种焊接方法,而且包括各种焊接模型、结构及相关环境条件与理化过程。焊接数值模拟技术必将向着智能化方向发展,而焊接中各阶段计算由计算机来完成,操作者只要输入焊接方法和焊件的几何尺寸,计算机会给出最佳的焊接工艺参数,使焊接残余应力最小,组织性能最好,使焊接技术随之向着科学化、智能化方向发展。

四、熔化焊焊接热源模型及其发展趋势

从熔化焊热源模型的历史来看,其发展有如下几个特点:

1模型的空间维数方面已经发展到三维

以经典的热源模型为例,从上个世纪40年代开始的一维点热源模型,到二维的高斯圆形热源模型,再到三维的双椭球热源模型,焊接热源模型经历了空间维数渐进的过程。三维焊接热源模型已经可以十分充分地描述焊接热流在空间的分布特点,在此方面不大可能再有发展。

2模型的空间形状方面的发展已经接近极至根据不同的具体焊接情况,国内外的焊接工作者已经建立了多种标准几何形状的焊接热源模型。可以说,焊接热源模型在空间形状方面几乎囊括了所有的标准几何形状。由于热源模型应符合具体的焊接方法及其热过程