（机械制造及其自动化专业论文）基于rbf的焊接数值模拟及其在后桥壳体焊接上的应用.pdf

摘要 基于r b f 的焊接数值模拟及其在后桥壳体焊接上的应用 摘要 在焊接过程中，金属构件由于经历了不均匀的加热冷却过程，产生了焊接残余应力 以及由此而产生的残余变形，不但严重地影响了焊接结构的抗脆断能力、疲劳强度和抗 应力腐蚀性，还降低了焊接结构的刚性和承载能力。而焊接电流、焊接电压、焊接速度 等焊接工艺参数对焊接应力有很大的影响。因此，优化焊接工艺参数是减少、控制焊接 残余应力的一种有效手段。 本文以江铃底盘有限公司的8 b 型后桥壳体所用的1 6 m n 钢板为研究对象，在有限元 分析的基础上，利用r b f 神经网络研究不同的焊接工艺参数对焊接过程产生的焊接残余 应力的影响。在网络训练数据样本的采集过程中，本文用正交试验设计来安排有限元分 析，采用级差分析进行数据处理，保证获取训练样本的代表性。研究结果表明，焊接应 力随着焊接电流、焊接电压的增大而增大；随着焊接速度的增大而减少。因此，在保证 焊透的情况下，建议在实际的生产中采用小电流、小电压，在速度允许范围内取最大值 的焊接方法能有效的减少焊接残余应力的产生。 为了实现快速有效的选择焊接参数，节省实验经费，提高经济效益，本文开发了一 个基于m a t l a b 的焊接残余应力预测界面。将有限元分析和神经网络嵌入其中，通过这 个预测界面可以得到不同焊接工艺参数组合下的最大残余应力值，对实际生产具有一定 的指导意义。 通过c a d c a e 软件的数据共享，建立8 b 型后桥壳体三维简化模型，利用结构对称 的特点，取壳体的四分之一作为后桥壳体焊接过程的有限元分析模型。分析结果与神经 网络预测结果进行比较，验证其在后桥壳体焊接中应用的可行性。同时也为复杂三维模 型的焊接分析提供了参考价值。 关键字：后桥壳体，焊接，有限元，r b f 神经网络，残余应力 a b s t r a c t w e l d i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nb a s e do nr b fa n d a p p l i c a t l o ni nt h er e a ra x l eh o u s i n gw e l d i n g a b s t r a c t d u et ou n e q u a lh e a t i n ga n dc o o l i n gi nm e t a lw e l d i n g ，m e t a lc o m p o n e n t sp r o d u c et h e w e l d i n gr e s i d u a l s t r e s sa n dd i s t o r t i o n w h i c hi n f l u e n c e ss e r i o u s l yr e s i s t b r i t t l ec a p a c i t y , f a t i g u ei n t e n s i t y ，r e s i s ts t r e s sc o r r o s i o ne t c ，f u r t h e r m o r e ，i ta l s or e d u c e st h er i g i d i t ya n d c a r r y i n gc a p a c i t yo fw e l d i n gc o m p o n e n t s m a n yf a c t o r sh a v ei n f l u e n c e so nt h ew e l d i n g r e s i d u a ls t r e s s ，s u c ha sw e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n gv o l t a g e ，w e l d i n gs p e e da n ds oo n t h e r e f o r e ， o p t i m i z i n gw e l d i n gp a r a m e t e r si sav a l i dm e a n st or e d u c ea n dc o n t r o lw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s s b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) f o rl6 m ns t e e ls h e e tw h i c hi sam a t e r i a lo f 8 br e a la x l eh o u s i n gi nj i a n g l i n gc h a s s i sc o l t d t h i sp a p e ru s e sr a d i a lb a s i sf u n c t i o n ( r b f ) f i e u r a ln e t w o r kt os t u d yt h ed i f i e r e n tp a r a m e t e r so nw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sd u r i f i g w e l d i n gp r o c e s s i nt h ep r o c e s so fc o l l e c t i n gt r a i n i n gd a t as a m p l e sf o rn e t w o r k ，t h i sp a p e r p r e s e n t st h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t w h i c hi sd i s p o s e di nf e a i ta s s u r e st h er e p r e s e n t a t i v eo f t h ed a t a t h es t u d yr e s u l t ss h o wt h a tt h ew e l d i n gr e s i d u a 】s t r e s sw i l l i n c r e a s ew i t ht h ew e l d i n g c u r r e n to rw e l d i n gv o l t a g ea n dd e c r e a s ew i t ht h ew e l d i n gs p e e d t h e r e f o r e ，i tc a nr e d u c e w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s su s i n gl o wc u r r e n t 1 0 wv o l t a g ea n dh i g hs p e e dw h i c hi st h em a x i m u m i nt h er a n g ea l l o w e du n d e re n s u r i n gc o m p l e t ep e n e t r a t i o nc o n d i t i o n i no r d e rt os e l e c tt h ep a r a m e t e r sq u i c k l ya n de f f i c i e n t l y , s a v et e s ts p e n d i n g ，a n di m p r o v e e c o n o m i cb e n e f i t ，t h i sp a p e rd e v e l o p sa ni n t e r f a c et op r e d i c tt h ew e l d i n gr e s i d u a ls t r e s sb a s e d m a t l a b w h i c he m b e d d e dt h ef e aa n dr b fn e u r a ln e t w o r k i tc a na t t a i nt h eb i g g e s t w e l d i n gr e s i d u a ls t r e s su n d e rd i f i e r e n tp a r a m e t e r s t h i sw a yh a s ac e r t a i nd i r e c t i v e s i g n i f i c a n c e i nt h ep a p e r t h es i m p l i f i e d3 dm o d e lo f8 br e a ra x l eh o u s i n gi sd e v e l o p e du s i n gt 1 1 ed a t a s h a r eb e t w e e nc a da n dc a e s o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h es y m m e t r i cc h a r a c t e ro f t h es t r u c t u r e ， af o u r t hp a r to ft h em o d e li su s e di nw e l d i n gf e a p r o c e s s t h er e s u l to fa n a l y s i sc o m p a r e d w i t ht h er e s u l tp r e d i c t e dw i t hr b fn e u r a ln e t w o r k i no r d e rt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h e p r e d i c t i o nb a s e dr b fn e t w o r ku s e di nr e a ra x l eh o u s i n gw e l d i n g a tt h es a m et i m e t h ew h o l e p r o c e s so f f e a h a st h er e f e r e n c ev a l u ei nw e l d i n gf e ao f c o m p l e x3 dm o d e l k e yw o r d s ：r e a ra x l eh o u s i n g ，w e l d i n g ，f e a ，r b fn e u r a ln e t w o r k ，r e s i d u a ls t r e s s i i 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位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。尽我所知，除1 ，文中特j ；q 加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华 东变通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 枞签名丝4 关于论文使用授权的说明 曰期抄弼白一s 本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的舰定，印：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、 保密的论文在解密后遵守此规定， 缩印或其他复制手段保存论文。 本论文无保密内容。 本人签名轻4 导师签g 差丝期 第一章绪论 第一章绪论 1 1前言 在现代制造业生产中，焊接是重要的工艺方法之一。随着制造业的现代化进展，在 机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工、建筑和电子等行业中的应用越来 越广泛。焊接是一种运用加热或加压条件、添加或不添加填充材料将构件不可拆卸地 连接在一起或在基材表面堆敷覆盖层的加工工艺【2 】。由于高度集中的瞬时热输入，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。焊接残余应力和焊 接残余变形不但可能降低结构的抗脆能力、疲劳强度、抗应力腐蚀性，而且在一定条件 下影响结构的承载能力和安全性。因此在设计和生产时必须充分考虑焊接残余应力和焊 接变形问题 j 。 、 c 0 2 焊接方法从2 0 世纪5 0 年代初问世后，以其高效、节能和低成本等特点受到人 们极大的关注。在8 0 年代初，先进工业国家的c 0 2 焊工作量就己占焊接总量的3 0 以 上，到8 0 年代末上升到5 0 ，其中日本达到7 1 ，成为一种主要的焊接方法【4 】。随着外 国的焊接设备和材料的大量引进，同时也从国外引进了c 0 2 焊接设备的生产技术和焊接 生产线，在我国c 0 2 焊接方法也逐渐成为一种主要的焊接方法。 影响c 0 2 气体保护焊的焊接应力和焊接变形的因素有很多。如焊接电流、焊接速度、 焊接顺序、工件的厚度以及电弧电压、电流的种类、电流极性等。为了控制和减少焊接 结构件的焊接残余应力和残余变形，应根据焊接构件实际情况，合理的选择焊接规范参 数。如果选择以实验方法作为选择焊接规范参数的基本方法，需根据试焊的结果调整焊 接参数进行多次试焊。这种方法不仅花费大量的时间，而且也花费大量的人力、物力和 财力。因此在保证焊接质量的前提下，如何快速有效的确定焊接的规范参数是一个重要 的问题。 随着计算机软件和硬件技术的发展，数值计算技术不断提高，数值模拟成为了解决 焊接参数选择的一种强有力的手段。其中有限元分析是较为常用的分析焊接过程方法， 它能模拟复杂的焊接动态过程。但是有限元分析也存在着一些缺点，它的计算量很大， 计算周期比较长。而人工神经网络具有自学习、自组织处理速度快和非线性的特性，同 时还具有很强的容错与自修复能力、模式识别能力、联想推理能力。如果能把人工神经 网络运用到焊接的数值模拟，对焊接过程进行预测，在某些方面正好弥补了有限元的不 足。基于这些方面的考虑，本文在有限元分析的基础上通过人工神经网络中的r b f 网 络对c 0 2 保护焊接过程产生的焊接残余应力进行了仿真研究。实现了快速的预测焊接参 数对焊接残余应力和焊接残余变形的影响，节省了实验经费，缩短了焊接时间，提高了 经济效益。 第一章绪论 本课题源于江西省教育厅和科技厅资助项目：汽车后桥c a d c a m c a e 一体化研 究，因此我们选用了后桥壳体所使用的材料1 6 m n 钢作为研究对象，通过有限元分析和 r b f 神经网络相结合的方法实现对c 0 2 保护焊接过程所产生的焊接残余应力的快速预 测。并且通过建立汽车后桥壳焊接模型对预测结果进行验证。 1 2 焊接数值模拟的研究现状 焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，单纯采用理论方法，很 难解决生产实际问题。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， 其模型为“理论一试验一生产”。但大量的焊接试验增加了生产的成本，且费时费力。 随着计算机软硬件技术的快速提高，国r 勾# t - 的数值模拟技术的不断成熟，以及人们对焊 接技术的不断深入研究，关于利用数值模拟分析焊接残余应力和残余变形的报道越来越 多。焊接生产逐渐朝“理论一数值模拟一生产”的方向发展。焊接数值模拟技术的发展 使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。 1 9 6 2 年，丹麦人首次用计算机有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算，进入7 0 年代，更多的国家加入到这个研究行列，并从铸造逐步扩展到锻压、热处理、焊接。我 国焊接界数值模拟研究起步于8 0 年代初，近年来很多的科研单位和个人投入到了这项研 究中，并取得了积极的进展。 1 2 1 焊接热过程的数值模拟 焊接热过程不仅有焊接电弧的传热、传质过程和熔池内的传热、传质过程，而且还 综合了相变潜热等诸多因素。其复杂性主要表现为1 5 j ： ( 1 ) 焊接电弧是一个高速运动的磁流体热源，在焊接电弧中存在着传导、对流和 辐射等传热过程，并伴随有层流和紊流两类运动形态； ( 2 ) 焊接加热是局部、瞬时加热，焊接工件在高密度热源作用下，加热冷却速度 极快，加热不均匀，温度梯度极大； ( 3 ) 焊接热源相对于工件是运动的，使得焊接传热过程不稳定； ( 4 ) 焊接熔池和工件的内部与表面也同时存在着传导、对流和辐射等传热过程； ( 5 ) 焊接熔池中的液体金属在电弧吹力、电磁搅拌力、表面张力梯度等力的作用 下强烈地运动着，并伴有一系列强烈的物理化学反应。 焊接热过程的数值分析开始于2 0 世纪7 0 年代。1 9 8 5 年樊丁和m u s h i o 在假定电流 为高斯分布的条件下，计算了电弧的压力场分布规律，建立了较完善的电弧传热传质数 值模型【6 1 ；j j l o w k e 采用了一个统一的电弧一电极处理系统对g t a w 和g m a w 焊接时 电极的温度进行了数值预测，该二维模型可在任何给定电流、焊接气体和电极形状下进 行分析【7 】o 文献 8 首次将电弧看作辐射状并呈高斯分布的二维热流作用于工件表面，解决了电 第一章绪论 弧产热问题：通过淬液法测试金属的固相分数随温度变化率，得到凝固潜热释放率：采 用增大热传导系数的方法并考虑熔池内流体流动对整个温度场的影响，建立了二维焊接 凝固裂纹温度场计算模型。文献 9 在a d i n a & t 的基础上，建立了包括网格划分、材料 性能参数输入和焊接参数输入的输入模块，实现了参数的输入、预览等基本功能；同时编 制了时间函数自动生成模块，实现了用时间函数来描述焊接工程中的电弧热输入；设计了 单元死活时间自动计算模块成功的实现了单元“活一死一活”过程，最终形成了可以引导 技术人员完成复杂的凝固裂纹数值模拟的自动前处理系统。文献 1 0 】以a d i n a & t 为中 心计算软件，利用v b 6 0 为主要编程语言，借助m a t l a 及m a t r i x v b 矩阵运算函数库， 建立了温度场数值模拟后处理系统。该系统通过位置和时间步设置，实现了任意位置和 时刻温度场的三维、等高线、横截面、纵截面和循环线的显示。 但是，焊接热过程的数值模拟分析还存在着一些问题： ( 1 ) 材料的热物理性能数据不足； ( 2 ) 热源分布参数确定缺乏系统而准确的资料： ( 3 ) 电弧功率有效利用系数需要正确选取。 由于焊接热过程决定了焊接应力场和应变场，并与冶金、结晶、相变等过程密不可 分，所以至今仍对焊接热过程进行研究分析。 1 2 2 焊接应力与变形数值模拟 7 0 年代初，日本的上田幸雄等首先以有限元法为基础，提出考虑材料力学性能与温 度有关的焊接热弹塑性分析理论，从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能 1 7 1 。 美国m i t 的k m a s u b u c h i 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，把引起焊接变形的金属运动分为三种模式：焊件因电弧加热而做的物理运动； 焊缝金属凝固前相连的两个分开部分的运动；连接部分刚体的运动。瑞典的l k a r l s s o n 等对大板拼接的焊接变形和应力进行了分析研究，特别是分析了焊缝前端间隙的变化和 点固焊的影响，提出了采用辅助热源防止单面焊终端裂缝的有效方法。法国的 j b l e b l o n d 对相变时钢的塑性行为进行了理论和数值研究，在上述研究的基础上发展了 s y s w e l d 专用软件。该软件可用于淬火、表面处理、焊接、热处理和铸造等过程的分 析研究。t i n o u e 等研究了伴有相变的温度变化过程中，温度、相变、热应力三者之间 的耦合效应，并提出了在耦合效应条件下本构方程的一般形式。此外，其他国外研究者 也进行了大量的研究与发展，并取得了丰硕的成果 1 1 - 1 3 。 国内在八十年代初西安交通大学和上海交通大学等就开始了关于焊接热弹塑性理 论及在数值模拟方面的研究工作。西安交通大学与沪东造船厂合作对单面焊终端裂纹的 产生机理和防止进行了实验和数值研究，取得了显著成效。上海交通大学在1 9 8 5 年出 版了“数值分析在焊接中的应用”专著，对当时国内外的研究成果作了介绍。他们开发 了二维平面变形和轴对称的焊接热弹塑性有限元分析程序，并在薄板、厚板和管子等焊 第一章绪论 接应力分析方面得到了成功的应用，九十年代上海交通大学和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，开发了有 关的三维焊接分析程序，并有不少成功的应用实例【1 4 - 1 6 1 。近年来清华大学、天津大学、 南昌大学等高校的学者也进行了焊接力学过程的数值模拟研究1 7 - 2 1 】。 1 2 3 焊接过程三维数值模拟及其简化途径 三维数值模拟是目前焊接过程计算领域的一个重要方法。在复杂结构的焊接过程数 值模拟中，轴对称等二维模型无法满足精确分析的要求，而在实际中，复杂结构的焊接 过程数值模拟是十分关键的。文献【2 2 和 2 3 的研究表明，对于轴对称的环焊，尽管在 焊接的大部分区域残余应力沿周向变化不大，但在起焊点和终焊点附近残余应力有很大 变化，这种变化显然无法利用二维轴对称模型来描述。文献 2 3 】进一步指出，在多层多 道环焊情况下，每一道的起焊、终焊点通常并不一致，这将进一步削弱二维模型的轴对 称假设。另有文献 2 4 分析表明，大型结构中，远离焊缝的弹性体在焊接变形协调中所 起的作用是不可忽视也无法用简单方法代替的，尤其在起弧端和收弧端，为非准稳态， 并且构件本身的拘束条件也比较特殊，与准稳态区域的假设相去甚远，而非准稳态区域 又往往是工程分析的重点，用二维代替三维分析将带来较大的误差。因此虽然焊接过程 的三维数值模拟困难重重，但仍有很多人在进行这方面的研究。目前，在厚板对接多道 焊、t 型焊接头以及圆板表面堆焊等简单结构以及简单几何形状的大型实际结构的三维 数值模拟方面已经取得了很大的成功。 三维数值模拟除了建模困难之外，其计算量也是困扰人们的一大难题。三维模型的 引入急剧增加了计算量的规模。应力计算在节点数相同的情况下，积分点增加为二维时 的两倍，而解题所需的时间随积分点呈指数关系增加。尤其在焊接过程中，材料非线性 问题相当严重，进一步增加了计算难度。对于大型结构的三维数值模拟，一方面受计算 能力的限制单元数量不能过大，另一方面受模型收敛性的限制同一模型中不同单元之间 的尺寸差距不能过大，同时在焊接问题中焊缝区高温度梯度和应力应变梯度客观上要求 在这一区域必须采用足够细的网络。上述几个方面条件的限制使得大型结构的三维数值 模拟更为复杂。因此，如何对结构何模型进行合理简化，在不损害精度和收敛性的前提 下将计算量压缩至最低，使得在现有的计算条件下对大型结构进行三维模拟成为可能， 这在理论上和实践上具有重要意义。 三维问题的简化主要有以下两个方面。首先是考虑利用对称性或其他特性将结构小 型化。文献 2 2 2 5 在研究对接焊时利用焊缝左右两侧的对称性只计算1 2 结构；文献 2 6 在研究压缩机定子焊接问题时利用定子的轴对称性只计算9 0 0 结构；文献【2 7 在研究大 型起重机斗杆的焊接问题时只取1 1 4 结构进行研究，利用合理的边界条件近似其余部分 的影响。文献 2 8 】在研究大型转子的焊接问题时对轴对称结构采用了4 5 0 的局部三维模 型。另外，文献 2 9 还研究力相似理论在焊接中的应用，探讨了利用相似理论将大结构 转换为小结构进行研究的可能性。另一个简化途径时通过选择合理的单元类型和尺度来 第一章绪论 压缩计算量。文献 3 0 利用三维板单元来模拟薄壁管的对接环焊，计算结果与实测吻合 得很好：文献 2 7 将网格自动重新划分技术应用到焊接模拟，使计算效率大幅提高，但 这一方法的计算精度目前还不很理想【3 “。 综上所述，三维数值模拟在工程实际中有着非常重要的作用，同时也有一些难以解 决的困难。目前对于小型简单结构的三维模拟已经取得了相当大的成功；而利用一些合 理的简化手段对大型结构进行三维模拟的研究也取得了一定的成果。 1 3 人工神经网络在焊接中应用的研究现状及其发展趋势 虽然人工神经网络的研究和发展已有三十多年的历史，但其真正应用于工程实践， 并产生巨大的经济和社会效益，却只是最近十年的事情。中国在这方面的研究虽然起步 较晚，但发展速度却相当快，在电子、自动化、通信等很多领域的研究和应用都接近甚 至达到国际先进水平。神经网络在焊接中的应用研究也是如此，例如：吉林工业大学与 中国一汽集团公司合作开发的“基于人工神经网络的点焊工艺参数选择和质量预测”模 型，不仅与试验结果较好吻合，而且在技术性和实用性方面，都与国外开发的同类神 经网络性能相当，甚至在某些方面还有所突破。 1 3 1 人工神经网络在焊接中的应用现状 由于人工神经网络在解决高度非线性和严重不确定性系统方面的巨大潜力，使其在 焊接领域的应用倍受青睐。目前，人工神经网络在焊接工艺参数设计、焊接接头性能估 测、点焊质量控制、m i g 焊过程控制、h a z 性能预测等方面都已获得较理想的效果。近 年来，国内外人工神经网络在焊接中的应用及开发呈现如下特点【3 2 1 ： ( 1 ) 从国内外神经网络在焊接中的应用类型看：焊接工艺参数选择和质量检验类的 应用较多，如：清华大学彭金宁等设计的用于确定焊接工艺参数的b p 网络模型，吉林工 业大学开发的用于焊接工艺参数选择和质量检验的w p p n n 、w p s n n 、n n l s 等。在焊接过程 控制方面也有应用，如：美国学者w j m e s s l a r 等开发的用于电阻点焊控制的a n n o f u z z y 系统等。这也反映出焊接工艺选择、质量检验和焊接过程控制三者的复杂性及其在焊接 中的重要地位。 ( 2 ) 从国内外焊接神经网络的开发手段看：国外以现成的神经网络开发语言如 s m a l l t a l k 等作为开发手段，并已使用专用的神经网络开发系统，如n a t e c h n o l o g i e s 公 司推出的名为n e u r a ln e t w o r k 的人工神经网络开发系统，可以快速进行神经网络建模， 网络最大输出参数可超过5 0 0 个；而国内的神经网络开发则仅限用c 或c + + 语言从头自 行开发，工作量大，重复工作多，效率低，亟待进一步发展和提高。 ( 3 ) 从国内外焊接神经网络的开发水平看：国外的研究水平较高，表现在开发的综 合性较强，不仅将神经网络技术与模糊控制、统计推理、专家系统等多方面技术进行综 合开发，而且使用的网络模型也不仅限于b p 网、h o p f i e l d 网、a r t 网等的一、两种，因 第一章绪论 而开发出了一批高水平的人工神经网络系统。而国内目前在神经网络的综合开发方面实 力仍然比较薄弱，且使用的网络模型也多限于b p 网一种。 ( 4 ) 从国内外焊接神经网络的研究成果来看：国内以清华、哈工大、天津大学、甘 工大、吉林工大等高校的研究和开发水平较高，部分成果已得到应用；国外则以日本、 美国、英国的神经网络开发水平居高，尤其是日本不仅神经网络的基础研究位居世界前 列，而且神经网络在焊接领域的应用水平也居于世界领先地位。 1 3 2 人工神经网络焊接应用的发展趋势 ( 1 ) 将人工神经网络、专家系统、焊接数据库、模糊控制、面向对象技术等智能技 术结合起来，形成综合的新型神经网络系统，克服单一技术的缺陷，是当今世界智能化 发展的趋势。 ( 2 ) 薪型神经网络在焊接中的应用将涵盖焊接的各个领域，如焊接工艺选择、焊接 过程控制、焊接冶金定量化、焊接材料优选、焊接质量的检测等，并最终实现各部分的 集约化和焊接全过程的智能化。 ( 3 ) 人工神经网络在焊接中应用的网络化和集成化。新型的人工神经网络将不仅限 于单用户，更多地将支持网络通信和与其他神经网络的集成，运用多媒体技术所具有的 图、文、动画、音效，将使神经网络的表现形式更加丰富，并实现焊接过程的实时仿真。 1 4 本文主要研究目的及其内容 大型复杂构件的焊接过程的计算机仿真，例如在本课题里的汽车后桥壳体的焊接， 其计算量很大，计算周期很长。而在汽车的运行过程中以及后桥的疲劳试验经常在后桥 的焊接位置出现断裂，如图1 一l 。这些断裂情况很大程度上与焊接残余应力有直接的关 图1 - 1 后桥在疲劳试验后断裂 f i g1 - 1 t h ec r a c ko nr e a r a x l ea f t e rf a t i g u et e s t 系。这就需要我们在焊透的前提下，做到尽量的减少焊接残余应力和焊接残余应变。优 化焊接工艺参数能使这个问题得以解决。用实验作为优化焊接工艺参数的基本方法，从 它所需要的人力、物力和财力，以及耗费的时间来说都是不实际的。甚至单独用有限元 第一章绪论 方法来对各种工艺参数下的模型进行仿真，得到焊接残余应力和焊接残余应变，因它的 计算量和计算时间也是不可取的。因此本课题的目的是将有限元和r b f 网络同时引入到 汽车后桥壳体的焊接过程中。利用m a t l a b 中的r b f 网络工具箱，以不同的工艺参数组 合下的有限元模型作为样本，对焊接应力和焊接残余应变进行预测，并最终在后桥模型 上得到验证预测的准确性。完成本课题的研究，在复杂构件的焊接过程中，使工程少做 试验或不做试验的条件下，快速、准确地确定焊接工艺参数。 主要工作内容如下： ( 1 ) 本课题中，后桥壳体使用的材料是1 6 m n 钢，因此，利用大型有限元软件a n s y s 建立不同厚度的1 6 m n 钢板平板对接模型，计算不同焊接工艺参数下的焊接温度场、位 移场和应力场，为r b f 网络建模提供学习和测试样本。 ( 2 ) 利用正交分析，对有限元分析结果进行分析，从焊接工艺参数中找出主要因 素。根据正交分析结果，合理设计神经网络训练样本。通过软件m a t l a b 调用r b f 网络 工具箱对样本训练，并通过检测样本优选r b f 函数的各个参数，得到误差最小的神经网 络。 ( 3 ) 采用m a t l a b 中提供的6 1 j i 技术开发一个焊接残余应力预测界面，将有限元计 算结果和神经网络嵌入其中，使得焊接结果的预测方便易用。 ( 4 ) 建立后桥壳体有限元模型，借鉴简单模型所使用的间接耦合法对后桥壳体的 焊接过程进行有限元分析，为复杂模型的焊接数值模拟技术的发展提供一定的借鉴作 用，另外利用预测系统对壳体焊接的工艺参数进行预测，与有限元分析结果进行比较， 验证基于神经网络的焊接结果预测运用到复杂模型上的可行性。 第二章温度场分析 第二章温度场分析 2 1 前言 焊接时，工件上作用一个非常强烈的移动热源，形成了焊接温度场，使得焊接工件 上各点温度产生很大差异，从而形成了焊接应力和焊接应变。焊接应力和焊接应变是随 温度场改变而改变的。对于任何结构材料，在温度场、应力应变场和微观结构之间都存 在着复杂的内在关系，且焊接温度场的计算是焊接过程中其他数值模拟的前提，因此要 想模拟焊接后的残余应力和变形，必须首先对温度进行分析计算。 2 2 基本理论 焊接温度场不仅直接通过热应变，而且还间接通过金属状态和显微组织变化引起的 相变、应变决定焊接残余应力。因此，要进行应力应变场分析，首先需要建立一个合理 的温度场数学模型。局部供给的热量应根据局部体积比热容。p j m 胂3 k 使局部温度升 高。在特定的时刻，温度分布越不均匀，其温度的变化越迅速。对均匀、各向同性的连 续体介质，且其材料特征值与温度无关时，在能量守恒的基础上，可得到热传导微分方 程式为【4 7 】： 罢：三( 窑+ 窑+ 窑) o 孥 (2-1) 百2 石( _ + 萨+ 可) + 石言t 1 ) 式中：t 为温度；五为材料的导热系数；t 为过程进行的时间；c 为材料的质量比热容； p 为材料的密度；g 为单位体积输出的或消耗的热能。 圆括号内的微分项通过引入拉普拉斯运算符号v2 后可简化为v2 7 1 。 用张量符号标志法，式( 2 一1 ) 可表示为： 旯瓦+ q r = c p t ( 2 2 ) 热传导问题的有限元解从相应于微分方程式( 2 - 1 ) 和( 2 - 2 ) 的积分方程式开始， 将场离散为简单形状的单元，从而引出一系列对于未知节点温度t 的一阶非线性常微分 方程式，其热传导的矩阵方程式为： c ， r ) + k ， t ) = q ) ( 2 - 3 ) c ， ：热容矩阵： k t ：导热率矩阵； t ：节点温度； n ：节点温度的时间导数的列向量。 由于焊接过程高度集中热源的作用过程，其温度场极其不均匀、不稳定，而焊接熔 池中局部最高温度可达到金属的气化温度。因此，焊接的热传导是一个典型的不稳定热 第二章温度场分析 传导问题对于三维热传导问题，其微分方程为： p c 署= 鲁c 五事+ 导c 五等，+ 言c 五誓，- + 西 c z 叫 式中p 、c 和五分别是材料的密度、比热容和热导率，它们都是温度的函数；q 为 内热源强度。 求解过程必须加上边界条件和初始条件，导热时通常分三类边界条件： 第一类边界条件是指物体某些边界上的温度已知，即： t 。= t ，( x ，y ，z ，t ) ( 2 5 ) 第二类边界条件是指已知边界上的热流密度分布，即： 0 t， 办。= _ = 吼忱弘z ，力 ( 2 = 6 ) o r 第三类边界条件是己知边界上物体与周围介质问的热交换，即 = 口( 兀一t ) ( 2 - 7 ) 式中，n 是边界表面的外法线方向：g ；是单位面积上的外部输入热流；口是表面换 热系数：7 0 是周围介质温度。焊接时通常遇到的是热流和换热边界条件【2 1 。 初始条件是指传热过程开始时物体整个区域中各节点温度，是计算的出发点。即： 丁，_ 0 = 7 0 ( x ，y ，z ) ( 2 - 8 ) 其中t o ( z ，y ，z ) 为已知温度函数，可以是均匀的，也可以是不均匀的。本文假设工件 的初始温度为均匀的( 2 0 ) 。 求解导热问题，实质上归结为对导热微分方程的求解，首先把求解区域离散化，即 把求解域分割成有限多个多边形单元，在每个单元上选择某些节点，以节点温度作为基 点处的温度。这样整个求解域就由有限个离散单元替代，而整个求解域上连续的温度函 数t ( x ，y ，z ，t ) ，也将由有限个单元的温度插值函数所代替。于是把在整个区域上连续 分布的温度函数问题转化为求解单元温度的问题，在给出某些定解条件如：初始条件， 边界条件，就能够完整地描写一个具体的导热问题。 2 3 热源模型 2 3 1 热源模型的选择 热源模型的选择是否适当，将对瞬态温度场的计算精度，特别是在靠近热源的地方 有很大的影响。电弧把热量传给焊件是通过焊件上的作用面积进行的，这个面积就是所 谓的加热斑点。加热斑点的半径即为电弧的有效半径。焊接时加热区的热量分布是不均 匀的，中心多而边缘少。因此选择的焊接热源应该具有集中、移动的特点，能够形成空 间梯度很大的不均匀温度场。一般焊接热源模型选择移动的高斯圆形热源，其热流分布 第二章温度场分析 如图2 1 所示。 图2 - 1 高斯热源模型 f i g 2 - 1 g a u s st h e r m a lm o d e l 在高斯移动热源模型中距斑点中心为r 的点的热流密度g ( r ) 为 g ( r ) = g 。e x p ( 一3 矿r 2 ) ( 2 7 ) 式中r 为电弧的有效半径；q 。为加热斑点中心最大热流密度，其值为 一口：墨( 28 ) 2 茄 。 其中：q = u ，i 为焊接电流，u 为焊接电压，7 为电弧的热效率。 2 3 2 移动热源模型的简化处理 从高斯热源的热流密度公式可以看出，任何一个距热源斑点相同的点的热流密度相 同。因此可以把热源区分割为n 个等距的环线区。第k 个环形区的能量分布为环形区内 生胄 g 。=lq ( r ) d r ( 29 ) 盟月 各节点的热流密度可以近似的等于q 。除以该区的表面面积，模拟的精度和热源中n 的取 值有关。n 的值越大，热源区分割的环形区越多，精度也就越高。 事实证明，当n 等于4 时，模拟的精度已经基本上能满足实际需要了，所以在本课 题中n 取4 ，即将高斯热源自内而外分为4 个环形区，它们的能量分布为q 。、q ：、q ，、 q 。，分别为： 圹炒= 卜叶z 刀毋( 2 - 1 0 ) 铲弘2c r 炒= r k 啾睾胁咖( 2 - 1 1 ) 第二章温度场分析 塑竺 旷j g ( ，= 4 d r f f q 拶p ( - rrz 砌 9 3 = g ( ，= 。e x 等) 2 砌 l 旷3 j g ( ，r 舻3 k r 州一z 砌 9 。= j g ( ，沙= ke x p ( 一2 砌 t了 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 2 4 潜热处理 相变潜热对温度分布也有很大的影响，因此有必要考虑其影响。潜热的吸收和释放 是材料的溶解和凝固过程区别于一般导热过程的显著特点。由于潜热的吸收和释放，会 明显的降低工作件的升温和冷却的速度。常用的潜热处理方法有温度回升法、等价比热 容法和热焓法【4 ”。在本课题分析过程中采用等价比热容法。比热容是指单位质量物体升 高或降低单位温度所引起的热量变化。单位质量金属在相变温度范围内变化单位温度所 引起的热量变化也可理解成比热容，实际上这个比热容包括两部分即物体的真正比热容 ( c ) 和潜热引起的比热容增加( 上。) ，称此比热容为等价比热容或有效比热容( 亦称当量 比热容) 记为c 。，c 。= c + 厶。在实际计算中假设潜热均匀吸收和释放，则： l o = l ( 瓦一瓦) ( 21 4 ) 式中：l 为潜热，j k g ：r 为液相线温度；y s 为固相线温度。 该方法适用于处理结晶温度范围较宽的合金，同时也能满足绝大多数铸造合金的要 求，目前应用较为广泛。 2 5 加载和求解 在本课题中，每一个样本上的焊缝的长度都为2 0 0 r a m ，热源的有效半径为8 m m ，只 要网格足够密，就可以通过坐标选择，很容易的得到想要的点选图形了，课题中为环形。 过分密集的网格会造成计算的延长，所以在保证一定的精度的条件下，选择一个合适的 网格密度，我们也只能选择近似环形区域来代替环形。 施加在节点上的面载荷，通过坐标的移动来实现热源的移动和载荷的不均匀化。在 本课题中，选择柱坐标作为工作坐标，改变离原点的距离来选择不同的环形区，并加载 不同的热载荷。 在求解的时候确定每一时刻的载荷的位置和大小，载荷移动在下一个载荷步的时 候，上一个载荷步的载荷必须被去掉，本课题用加载一个极小的载荷将上一个载荷步中 施加的热流密度覆盖。在a n s y s 上，有g u i 和命令流两种方式完成操作，但在本课题而 言，如果只是用g u i 菜单操作而不用a p d l 编写命令流的话，就需要一步一步来定义每 个载荷步求解文件，对于本课题这样一个多载荷步的问题，基本上不具备可操作性。 第二章温度场分析 这就需要用到循环语句来把每一个载荷步的求解文件写入，最后求解的时候再顺次读入 每一个载荷步文件。 温度场分析的目的是为了后面残余应力分析提供温度载荷的，所以加载时间分为加 热时间和冷却时间。根据焊接的特点，加热时间和冷却初期的温度变化剧烈，而冷却到 低温时温度变化逐渐变的缓慢。因此需要用变步长处理。开始时取小的时间间隔，冷却 到一定时间逐渐增大。 2 6 边界条件和初始条件 由于工件的边界与周围环境存在着温差，工件将与周围介质进行热交换，其中包括对流换热和 辐射换热。在焊接过程中，高温区域的面积相对较小，而且焊接过程的时间较短，所以在计算中忽 略辐射换热的影响，仅仅考虑对流换热。在本文中，假设工件的任何一个直接与周围环境有接触的 表面均与周围介质进行热交换。 在对流边界面上，表面对流条件表示为： q 。= a 。( t t o 。) ( 2 - 1 5 ) 式中q ，为对流损失的热量；a ，为对流系数，单位是“c ；t o ，为参考温度，即周围 介质温度，本文中取2 0 。c ；t 为工件表面温度。 2 7 熔池内流体的流动 在焊接过程中必然涉及到焊接熔池流体流动，它对温度场有很重要的影响，它是由 浮力、表面张力梯度及表面张力、电磁力、电弧压力及熔池表面剪切力等因素引起的。 关于熔池内流场和热力场的数值分析己经进行了大量的研究，基于这些研究，本文采用 简化的方式即修正热传导系数，来考虑熔池内流体流动对整个温度场的影响，它的准确 性已经得到证明。具体做法是，固态金属开始熔化时人为增加热传导系数，并根据计算 结果进行修正。 2 8 划分网格 在a n s y s 中划分网格的方式有两种，分别为自由划分和映射划分。自由划分方式 对单元形状没有限制，用这种方式划分的网格排列不规则，可以应用于具有不规则几何 形状的模型或者是需要网格过渡的区域。而映射网格对包含的单元形状有限制，通常映 射面网格只包含四边形或三角形单元，映射体网格只包含六面体单元。用映射网格划分 方式得到的网格具有规则的几何形状，而且它对载荷的施加和收敛的控制相当有利，因 而，在实际应用中一般优先选用映射网格划分，当不能用映射网格划分时考虑选用自由 网格作为补充i ”j 。 在有限元分析中，网格划分的合适与否与计算结果的精度和计算效率息息相关。网 第二章温度场分析 格划分得越细，计算精度越高，所花费的计算时间越长；反之，计算精度变低，所花费 的时间越短。但是，网格的划分细到一定得程度，计算精度变化较小甚至不发生变化。 焊接过程是一个加热非常不均匀的过程，在焊缝处温度梯度变化很大，划分网格时 一般不采取均匀的网格，而是在焊缝及其附近的部分用加密的网格，在远离焊缝的区域， 能量传递缓慢，温度分布梯度变化相对较小，这时可以采用相对稀疏的单元网格。总之， 在保持精度的同时减少网格的数量。在本课题中，采用对工件分为不同的区域的方式， 以焊缝为中心分为焊区、远离焊区、中间过渡区三个区域，对不同的区域采用不同的单 元和划分方式。在焊区和远离焊区的单元用s o l i d 7 0 单元进行映射划分，在过渡区采用 s o l i d 9 0 单元进行自由划分，这样可以在过渡区产生过渡的金字塔单元。在生成金字塔 单元之后，将退化的2 0 节点四面体单元转化成1 0 节点非退化的四面体单元s o