焊接数值模拟的研究和发展

焊接数值模拟文献综述摘要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。焊接过程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(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲)，而且焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力影响构件的变形和焊接缺陷，而且在一定程度还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在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。因此对焊接温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但仅从实验角度研究焊接热应力和焊后残余应力和变形问题难度很大，无前瞻性，不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响，客观评价焊接质量。在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，但大量的试验增加了生产成本，耗费人力物力，尤其在军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中，任何尝试和失败都将造成重大经济损失，而数值模拟将发挥其独特的能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞速发展，为数值模拟技术提供了有力的工具，很多焊接过程可以采用计算机数值模拟。随着差分法、有限元法的不断完善，焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。随着计算机技术发展，20世纪末提出了计算机模拟的手段，为热加工包括焊接技术的发展创造了有力的条件。焊接过程数值模拟可包括以下几个方面：(1)焊接热过程；(2)焊缝金属凝固和焊接接头相变过程；(3)焊接应力和应变发展过程；(4)非均质焊接接头的力学行为；(5)焊接熔池液体流动及形状尺寸；(6)重大结构及其部件的应力分析。利用这种方法可以展望21世纪热加工的研究模式将转变为“理论计算机模拟生产”，从而大大提高焊接和材料热加工的科学水平，节约用于实验研究的人力、财力。焊接变形预测方法大多基于有限元分析。近年来，随着计算机软、硬件和有限元法的发展，焊接三维数值模拟的研究成为该领域的前沿，三维焊接热应力和残余应力演化虚拟分析技术也逐渐发展起来。计算机硬件的发展为焊接过程的模拟和工程预测创造了条件，现在Pc机的性能己和十几年前的小型机、中型机性能相差无几，对于简单的、结构不是很复杂的焊接结构可以在PC机上实现其模拟过程。1.焊接温度场的分析国内外发展状况焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。关于焊接热过程的分析，苏联科学院的Kalin院士对焊接过程传热问题进行了系统的研究，建立了焊接传热学的理论基础。为了求热传导的微分方程的解，他把焊接热源简化为点、线、面三种形式的理想热源，且不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸对解的影响。实际上焊接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能和变化而导致传热过程严重的非线性外，还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象，因此是非常复杂的。由于这些假定不符合焊接的实际情况，因此所得到的解与实际测定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的区域，误差很大，而这里又恰恰是研究者最为关心的部位。Adames、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量的实验为基础，积累了不同材料、不同厚度、不同焊接线能量以及不同预热温度等测量数据，然后从传热理论的有关规律出发，经过整理、归纳和验证，最后建立了不同情况下的焊接传热公式。这种方法比前者采用数学解析法要准确，但实验的工作量很大，有确定的应用条件和范围，且可靠性取决于测试手段的精度。1966年wilson和Nicken首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。70年代。有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。1975年，加拿大的Poley和Hibbert在发表的文章中，介绍了利用有限元法研究焊接温度场的工作，编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层U、V型坡口的焊接温度场计算程序，证实了有限元法研究焊接温度场的可行性。之后国内外众多学者进行了这方面的研究工作。Krmz在1976年的博士论文中专门研究了利用焊接温度场预测接头强度问题，其中分析了非线性温度场，在二维分析模型中，假定电弧运动速度比材料热扩散率高，因此传到电弧前面的热量输出量相对比较小，从而忽略了在电弧运动方向的传热，这实际上与Rykalin高速移动热源公式的处理方法是一致的。西安交通大学唐慕尧等人于1981年编制了有限元热传导分析程序，进行了薄板焊接准稳态温度场的线性计算，其结果与实验值吻合。随后上海交通大学的陈楚等人对非线性的热传导问题进行了有限元分析，建立了焊接温度场的计算模型，编制了相应的程序，程序中考虑了材料热物理性能参数随温度的变化以及表面散热的情况，能进行固定热源或移动热源、薄板或厚板、准稳态或非准稳态二维温度场的有限元分析。并在脉冲TIG焊接温度场以及局部干法水下焊接温度场等方面进行了实例分析。对于三维问题，国内外也是近十年来才刚开始研究。其原因是焊接过程温度梯度很大，在空间域内，大的温度梯度导致严重材料非线性，产生求解过程的收敛困难的和解的不稳定性；在时间域内，大的温度梯度决定了必须在瞬态分析时在时间域内的离散度加大，导致求解时间步的增加。国内上海交通大学汪建华等人和日本大阪大学合作对三维焊接温度场问题进行了一系列的有限元研究，探究了焊接温度场的特点和提高精度的若干途径，并对几个实际焊接问题进行了三维焊接热传导的有限元分析。蔡洪能等人建立了运动电弧作用下的表面双椭圆分布模型基础上研制了三维瞬态非线性热传导问题的有限元程序，程序中利用分析节点热焓的方法对低碳钢(A3钢)板的焊接温度场进行了计算，计算结果和实验值吻合得很好2.焊接应力场的研究历史和发展焊接过程中应力应变的研究工作始于二十世纪三十年代，但是研究工作只能是定性的和实测性的。五十年代，前苏联学者奥凯尔布洛母等人在考虑材料机械性能与温度之间的相互依赖关系的情况下，用图解的形式分析了焊接过程的热弹塑性性质及其动态过程，并分析了一维条件下对焊接应力应变的影响。六十年代，由于计算机的推广应用，对焊接应力应变的数值模拟才发展起来。1961年，Tall等人首先利用计算机对焊接热应力进行计算，编制了一套沿板条中线进行堆焊的热应力一维分析程序。1971年，1waki编制了可用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元程序，后来Muraki对它做了重大改进，扩大了这个二维程序的功能，使之可用于对接焊和平板焊过程的热应力分析。日本的上田幸雄等人以有限元为基础，应用材料性能与温度相关的热弹塑性理论，导出了分析焊接热应力所需的各表达式。此后美国的HDHibbert，EFRvblicki，YIamuk以及美国MIT的KMasubuchil等在焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作。Anderson分析了平板埋弧焊时的热应力，并考虑了相变的影响。进入八十年代，有限元技术日益成熟，人们对焊接应力应变过程及残余应力的分布规律的认识不断深入，1985年Jonson等人通过大量的数值计算，进一步提高了预测焊缝周围残余应力分布的精度，同时考虑了定位对焊接残余应力分布的影响。Josefcn对薄壁管件焊接残余应力以及回火去应力过程的应力分布情况进行了研究，并探讨了一些调整焊接残余应力的措施。进入九十年代，随着计算机性能的进一步提高，对焊接应力应变的研究更深入。1991年Mahin等人在研究中考虑了耦合的热应力问题，其中热源分布采用实验矫正的方法进行处理，同时考虑熔池对流、辐射及传热对温度分布的影响，其残余应力的计算结果与采用中子衍射测得的结果吻合很好。TInoue等研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变、热应力三者之问的藕合效应，并提出了在考虑藕合效应的条件下本构方程的一般形式。1992年加拿大的chen等人对厚板表面重熔时的应力应变进行了有限元计算，其中考虑了熔化潜热及凝固过程中固液相转变过渡区应力的变化，其残余应力计算值和实验值相当吻合。美国的shim等人利用平面应变热弹塑性有限元计算了厚板多层焊的残余应力，并对不同坡口形状的焊接残余应力进行了比较，揭示了厚板残余应力分布的规律。1993年，加拿大的chidiac等人研究了厚板焊接过程的应力应变及残余应力的分布，其中涉及了三维加热模型，并考虑了显微组织的变化和晶体生长等情况。加拿大的JGoldak等对从室温到熔点的焊接热应力进行了研究，提出了各温度段的本构方程。另外，与焊接温度场的有限元分析类似，焊接热弹塑性有限元分析过去大都局限于二维，三维问题的研究是九十年代才开始的。瑞典的LKarlsson等对大板拼接的焊接应力和变形进行了研究，还提出了采用辅助热源防止单面焊终端裂纹的有效方法；90年代则对 板壳结合的焊接模型进行了研究。近来英国焊接研究所开发了一个“结构变形预测系统”，可以用来预测复杂结构的焊接变形。国内对焊接应力应变数值分析起步于二十世纪七十年代，首先是西安交通大学的楼志文等人把数值分析应用到焊接温度场和热弹塑性应力场的分析中，编制了热弹塑性有限元分析程序并对两个简单的焊接问题进行了分析。接热传导的数值分析方面做了许多工作。进入八十年代，编制了热弹塑性有限元分析程序。上海交通大学焊接教研室在焊特别是对非线性瞬态温度场进行了有限元分析，提出了求解非线性热传导方程的变步长外推法，并编制了二维热弹塑性有限元分析程序，计算了平板对接焊时应力应变发展过程及残余应力分布。关桥等人编制了用于进行平板轴对称焊接应力应变分析的有限元程序，对薄板氢弧点状热源的应力应变过程进行了计算，该分析仅限于点状热源。孟繁森等人利用迭代解法研制了计算焊接过程应力应变发展程序和图形显示程序，分析了板条边沿堆焊时的应力应变发展过程。陈楚等人利用平截面的假设分析了厚板焊接时的瞬态拉应力以及厚板补焊时的残余应力。刘敏等人研制了三角差分温度场和轴对称热弹塑性有限元程序，计算了1Crl8Ni9Ti和20#钢圆管对接多层焊接时的应力应变过程。汪建华把三维问题转化为二维问题利用平面变形热弹塑性有限元法对厚板的应力问题进行了分析。西安交通大学的汤小牛等人针对工程中大量壳体部件的弹塑性问题，编制了稳定温度场和蓝壳单元热弹塑性应力分析程序，计算了异种钢管(铁素体102钢和奥氏体304钢)焊接残余应力的分布以及焊缝宽度对残余应力的影响。九十年代上海交通大学与日本大阪大学对三维焊接应力和变形问题进行了共同研究，提出了改善计算精度和收敛性的若干途径，发展了有关的三维焊接分析程序，并有不少成功的应用实例。研究成果已在预测核电凝汽器焊接变形、压缩机焊接变形、轿车液力变矩器焊接精度控制等方面得到实际应用。近年来清华大学、天津大学也进行了焊接力学过程的数值模拟。天津大学在局部法评定焊接接头疲劳强度研究中，直接应用了局部残余应力分布数值分析的结果。清华大学的蔡志鹏等人，利用Marc软件，简化热源模型，用串热源模型代替高斯热源进行焊接应力应变分析，已应用于三峡1200 t桥式起重机主梁焊接变形的控制和大型挖掘机的工艺设计中。广西大学的黎江用ANSYS对厚板的单道焊及圆筒焊接进行温度场和热应力场的分析计算，获得了较好的分析结果。武汉理工大学的李冬林用ANSYS针对平板堆焊问题进行了实例计算，而且结果与传统的分析结果和理论值相吻合鲫。沈阳工业大学王长利利用ANSYS针对平板堆焊问题进行了实例计算，获得了较好的研究结果。华中科技大学梁晓燕利用ANSYS对中厚板多道焊进行了数值模拟，并与实验结果进行比较，取得了较好的分析结果。中国科学院金属研究所的吕建民用Marc大型通用非线性有限元分析软件，探讨了温差形变法消除管道焊接残余应力的机弹。3.目前的研究方向和焦点3.1单元技术的开发单元技术一直是有限元技术的核心问题。通过开发合适的单元技术是提高有限元计算效率的主要方法。新单元的开发一般均针对结构的特点而确定，而焊接问题的复杂性表现在其工艺过程的特点上，因此适用于焊接过程的数值模拟分析的单元应该针对焊接工艺过程而开发。焊接过程的特点是快速的局部加热和冷却及其导致的局部区域应力应变的急剧变化，对焊接过程的数值模拟分析而言，焊缝附近的单元并非在焊接全过程中都经历着复杂的温度和应力变化，而只是在很短的时间范围内经历了这种变化，因此可以根据这个特点，开发新型单元，充分体现单元在大部分时间内求解量保持相对稳定的特点，简化计算过程，实现提高计算效率的目的。国外一些研究机构在大型商用软件ABAQUS的基础上，开发了适于焊接过程的单元技术，使单元尺寸大幅度增加的同时，仍能够反应焊接过程中的高梯度温度和应力变化，大大地缩短了计算时间，但其技术细节及准确性等迄今尚无报道。3.2网格划分技术焊接时所用的热源大多是移动热源。在热源移动时，整个焊件的温度、应力应变随时间和空间急剧变化，并且同时存在着加热和冷却、加载和卸载等现象。在不同时刻和位置，温度和应力应变的分布极为不均，若采用均匀网格，势必引起计算时间的增长或存储空间的浪费。一般的处理方法是，在焊缝及其附近的部位用加密的网格，这样考虑了在焊缝处温度梯度变化较大等因素，能够在保持精度的同时减少网格的数量。因为只有在热源附近才有较大的温度梯度，所以在移动热源的情况下，离热源较远的其它部位，即使也处于焊缝及其周围的区域，也没有很大的温度梯度。在这种情况下，如果还采用较密的网格，就会导致大量密网格的同时出现，造成存储空问的浪费，大幅度提高运算成本。因此，较理想的方法是，随着热源的移动，加密网格也跟着移动，这称为动态可逆的自适应网格技术。它允许根据自适应误差准则自动细化网格，在误差减小到一定程度后，自动回到细化前的较稀疏的网格状态。这种技术可有效地处理有移动边界的场问题，在焊接分析时，可使运动的焊枪前沿和熔池等部位始终保持细密的网格，而焊后逐渐冷却的焊缝可恢复稀疏网格。但是焊接过程是一个熟力藕合的过程，在热弹塑性分析过程中，既需要计算温度场，又需要计算应力应变场，这就涉及如何决定误差判定准则的问题。因为在计算温度场时需要加密网格的地方，不一定就是应力应变场也需要加密网格的地方。在计算的过程中如何兼顾二者，或者分别用不同的判定准则，目前还处于研究阶段。3.3并行计算和分布式并行处理并行计算技术是目前有限元分析中缩短计算时间的主要手段之一。目前，由于研制新型芯片所需的费用越来越庞大，提高计算机性能的主要方向即为采用并行技术。但由于并行程序编制的复杂性及其与硬件的相关性，目前这方面的进展一直较慢。清华大学的鹿安理等人在Origin2000服务器上应用MARC软件在并行有限元焊接数值模拟方面作了较为深入的研究，且取得的显著的成绩。当前，随着网络技术和数据通讯技术的迅猛发展，分布式并行处理系统正逐渐成为并行系统的主流。分布式并行处理系统的优越性主要体现在高性能价格比和灵活性上。随着微机性能的提高和价格的下降，并行的微处理机系统吸引了大量数值计算领域研究人员的兴趣，国内外人员纷纷进行分布式并行微机系统的研制。国外有的研究机构已经初步完成了阶段性的工作，对比结果表明，分布式并行微处理系统可以达到极高的计算速度，而价格比同样性能的并行计算机至少低一至两个数量级。在创造出高性能价格比的同时，分布式并行系统的扩展也非常方便，可以随着计算机技术的发展而扩充系统规模，或在己有的基础上更新换代。因此开发高性能的分布式并行处理系统，以及在此平台上运行的并行程序，已经成为整个数值计算领域的主流。在分布式并行处理系统的开发中，高性能数据交换开关和并行操作平台是两个关键技术环节。3.4动态区域分解算法的实现这种方法仅是针对焊接过程的特点而提出的设想，目前尚未见诸报道。焊缝金属及附近的全部单元都经历了快速加热和冷却的过程，但在任何一个特定的时刻，都只是一小部分单元处于温度和应力急剧变化过程中，而其它单元却在一个相对稳定的状态下。同时这些温度和应力急剧变化的单元在不同的时刻是动态变化的。并行计算中的一个主要方法是区域分解算法。而这种算法主要是针对结构进行的，因此在求解的全部时间域都是静态的，应用于焊接过程的数值模拟中，必然要导致效率的降低，而动态区域分解算法针对有限元网格中与求解相关的各物理量的动态分布情况，而改变区域分解方案，则可以避免这种问题，提高计算效率。同时，如果动态区域分解算法与网格自适应技术相结合，可以更进一步发挥两种方法的优点，将计算效率提高几个数量级。然而该领域的研究涉及到有限元算法的核心部分，从根本上改变了程序结构，将耗费大量的工作。3.5相似理论在焊接过程模拟中的运用由于焊接过程的复杂性，在提高计算效率和精度的同时，有必要引入相似理论。在这方面，清华大学的鹿安理等人做了大量研究。虽然其最初是为了物理模拟的需要，但由于相似条件的苛刻，在实验中达到这一目的是比较困难的，因此鹿安理等人进行了初步的将相似理论结果应用于数值模拟中的研究。理论推导表明，在减少结构尺寸的条件下，热源的几何尺寸也要相应减小。为了能够仍然准确描述温度场，对结构的有限元网格划分也必须相应密集，则最终有限元网格中的节点数和单元数与原结构一致，在数值模拟中花费的时间也一致。因此，该相似关系虽然减小了结构的尺寸，数值模拟的温度、位移、和应力结果也完全吻合，但并未达到减少计算时间的目的，因而还有待进一步进行相应的简化。4.ANSYS有限元法在焊接温度场分析中的应用焊件中的温度场分布反映了复杂的焊接热过程，它不仅直接通过热应力、热应变而且还间接通过随金属状态和显微组织变化引起的相变、应变。决定焊缝熔化、结晶、变形、应力等状况。所以焊接质量与温度场的分布有很大的关系，焊接温度场的准确计算是焊接冶金分析、残余应力与变形计算。以及焊接质量控制的前提，以往对焊接温度场分析大多是通过试验的方法测量并进行定量分析。由于受试验条件等方面的限制，所得数据的精确度并不高。目前，数值模拟技术已遍及焊接学科的各个领域。有限元法是伴随着计算机技术和数值分析方法发展起来的结构分析方法，它已广泛地应用于焊接热传导、热弹迥性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等。ANSYS软件是以有限元分析为基础的大型通用CAE软件其强大的热结构耦合及瞬态、非线性分析能力使其在焊接模拟技术中具有广阔的应用前景。ANSYS温度场模拟主要步骤:(1)前处理包括定义单元类型、输入材料热物理属性、创建几何实体模型、设置网格单元尺寸、生成有限元模型。(2)施加载荷和求解包括定义分析类型、设定载荷步选项、设置边界条件、求解运算。(3)后处理ANSYS提供2种后处理方式：通用后处理(POSTl)，可以对模型的某一时刻的结果列表或图形显示；时间历程后处理（POST26)。可以列表或图形显示模型中某一点随时间的变化结果。ANSYS在焊接热模拟过程中建模需注意的几个问题：材料热物理性能参数金属材料的物理性能参数如比热容、热导率、弹性模量、屈服应力等一般都随温度的变化而变化。当温度变化范围不大时，可采用材料物理性能参数的平均值进行计算。但焊接过程中，焊件局部加热到很高的温度，整个焊件温度变化剧烈如果不考虑材料的物理性能参数随温度的变化那么计算结果一定会有很大的偏差。所以在焊接温度场的模拟计算中，一定要给定材料的各项物理性能参数随温度的变化值。但是。许多材料的物理性能参数在高温、特别是接近熔化状态时还是无法获取，某些材料仅有室温数据，