焊接过程仿真领域的若干关键技术问题及其初步研究

1、焊接过程仿真领域的若干关键技术问题及其初步研究                                             鹿安理史清宇赵海燕吴爱萍

2、蔡志鹏王 鹏 摘要：通过分析焊接过程仿真技术的发展现状，指出提高仿真方法的效率和精度是解决焊 接过程仿真技术的若干关键问题。同时结合计算机技术和仿真技术的发展前沿进行了几项探 索性研究。这些研究包括网格自适应技术的开发和应用，采用不同求解器对并行计算中并行 加速比影响的研究，以及材料高温性能对计算时间和计算精度的影响等。在几种方法中，网 格自适应技术和并行计算技术有较好的发展前景和广泛的应用范围。除对本研究组已开 展的工作进行了一定的分析外，并对某些未来的研究发展方向进行了初步的探讨，这些可能 进行的研究包括单元技术的开发、可行的结构简化方案、动态区域分解算法的实现、分布式 并行处理

3、系统的建立和相似原理在焊接过程中的应用等。关键词：焊接过程；仿真；自适应网格；并行计算中图分类号：TG4文献标识码：A文章编号：1004-132(2000)01-0201-05Key Techniques and Some Tentative Research of Welding Process SimulationLU AnliSHI QingyuZHAO Haiy anWU AipingCAI ZhipengWANG Peng（Tsinghua University,Beijing,China）Abstract:The latest development of welding proc

4、ess simulation is analyzed in the paper. It is pointed out that increasing the efficiency and pre cision of simulation is the key point in modeling of welding process. At the sam e time, some basic researches are explored based on the frontier of computer and simulation techniques in the paper. Thes

5、e researches include the exploration an d application of adaptive mesh, analysis of parallel speed-up ratio of computin g with different solvers, effects of material/s properties at high temperature o n calculating time and calculating precision. The adaptive mesh technique and pa rallel computing t

6、echnique have great potential and wide application among the a bove researches. Some new viewpoints are also discussed besides the development of researches already explored. The above mentioned aspects include exploring ne w elementary technique, possible scheme for simplifying the structure, achie

7、veme nt of dynamic area decomposing method, establishment of distributed parallel pro cessing system and application of similarity method in numerical simulation of w elding process.Key Words:welding process;numerical simulation;adaptive me shparallel computing焊接作为一门古老而充满活力的学科，在材料加工领域一直占有重要的地位。而焊接 过

8、程数值模拟在材料热加工领域数值模拟中具有很强的代表性。数值模拟技术作为使热加工 过程从工艺走向科学的重要手段，在理论和实践两方面均有着十分重要的意义。然而由于物 理本质的复杂性，焊接过程仿真技术的发展一直比较缓慢，远远落后于实际生产需要和制造 业其它领域仿真技术的发展。同时，在军工、能源、动力等领域，关键部件焊接过程仿真技 术的实现，对于优化工艺过程，提高产品质量，清除安全隐患等方面起着日益重要，甚至不 可替代的作用。近年来随着计算机技术和有限元技术的飞速发展，解决焊接过程仿真问题的 条件不断完善，而这一领域的许多技术基础问题的研究也受到更多学者的关注1，2 。然 而，焊接过程的仿真，尤其是三

9、维结构的仿真仍然存在着很大的困难，主要集中在以下几个 方面：焊接结构三维模型中自由度数目庞大；严重的材料非线性导致求解过程中的收敛困难；高温区的存在使得控制数值模拟的精度和稳定性存在一定的困难。由此可见，焊接过程仿真技术的主要困难在于解题过程的高效性和解的精确性，而这两个方 面又相互影响，互为矛盾。提高精度往往是以延长计算时间为代价的，因此在保证精度的前 提下，冗长的计算时间成了焊接过程仿真分析的最关键问题。本文在清华大学机械工程系进 行的相关研究工作的基础上，结合数值模拟技术的发展，对提高计算效率的若干途径开展了 一定的基础性研究工作，并对某些可能的途径进行了初步探讨。1焊接过程仿真技术的发

10、展趋势焊接过程仿真的发展是从解析方法开始的。随着数值计算技术的发展，逐步过渡 到采用有限差分法和有限单元法。在近几年的发展中，有限单元法逐渐占据了主导地位。 分析规模均是从一维发展到二维，进而发展到三维。目前，由 于三维焊接过程的仿真分析难度很高，研究者经常对其进行一些简化处理，其中比较有代表 性的是固有应变法3。该方法通过在大量生产经验基础上建立的假设条件，将瞬 态热弹塑 性分析转化为静态纯弹性力学问题，可以大幅度地减少计算时间，且结果具有一定的准确性 。但随着新材料、新工艺的不断涌现，该方法需要积累在新材料、新工艺基础上的经验规律 ， 这在目前计算机技术和焊接生产技术的发展水平下，已无法满

11、足理论分析和生产实践的需要 。而且，由于该方法以在生产经验上建立的假设条件为基础，对于通过优化工艺来改善焊后 应力状态的要求也难以满足。而目前制造业仿真分析的发展趋势是，建立尽可能精确的物理 模型，获得精确的结果，进而全面科学地分析过程的物理本质4，5。与之相适 应，焊接 过程仿真的发展方向也在于建立精确的物理模型，获得准确的结果，在充分分析焊接过程物 理本质的基础上，优化工艺。基于以上分析，本文对焊接过程仿真领域中围绕提高计算效率的问题进行了初步研究，并对 某些其它影响焊接过程数值模拟计算时间的因素进行了讨论。2网格自适应技术在焊接过程仿真中的应用6本工作在商用软件的基础上，开发专用用户子程

12、序，使网格自适应技术更趋完善，并应用于 焊接过程的三维数值模拟中。在焊接过程中，只有局部区域的金属经历了快速的温度变化过 程，并产生了较大的残余应力，结合动态分析，在每个时刻只有电弧附近的区域处在高温度 梯度范围内。因此，本工作将网格自适应技术应用于焊接过程中，使指定区域内的网格划分 较密，其它区域网格划分则较稀疏，而这个指定区域随着焊接热源同步移动。这样，即使在 焊缝区，只要不在热源附近，也处于网格划分较稀疏的状态，这就大大地减少了单元和节点 的数目，缩短了计算时间。图1a、图1b所示分别为采用网格自适应技术和不采用网格自适 应技术时的网格划分，图1c为采用网格自适应技术下时间步为50的网格

13、划分图。自适应网格的应用分三步。首先，随时间步的增加，使假设存在的盒子按预先设定的速 度移动。然后，原有的网格按照一定的误差准则重新划分，成为新网格。本文中的空间相对 位置误差准则是，在空间位置上进入假定盒子内的单元全部自动重新划分。同时，一些已经 细分的网格在同一时间步离开盒子，又要还原成较疏的网格。最后，在增量分析中，原网格 中的场变量要映射到新网格中去。在下一增量步的分析中以本增量步的结果作为初始条件。 新生成单元上的每个积分点上的变量必须从旧网格中的相应数据获得。旧单元积分点上 的变量首先外推到旧网格上，然后对于每个节点，周围所有单元上的相关变量值需要在此节 点上平均，从而获得旧单元节

14、点上的变量值。新单元的积分点位于旧网格的单元内，先确定 其坐标，在此基础上，新单元积分点上的变量值通过在旧单元节点间进行插值获得。 在研究中发现，采用网格自适应技术后，计算结果与不采用此方法时存在着一定的误差，主 要是焊接过程中的瞬态应力存在着较大的差异，而变形过程和残余应力分布的误差则很小， 基本可以忽略。但在计算时间的对比上，在本文所进行的计算中，采用网格自适应技术可以 节约1/3左右的计算时间。在研究中发现，网格自适应技术远未开发到最完善的地步，经过努力，还可以大幅度提高计 算效率。并且，焊缝越长，网格自适应技术的优势会越明显。3并行计算在焊接过程仿真中的应用并行计算技术是目前有限元分析

15、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，即使如世界上著名的一些软 件，如Abacus、Ansys、Adina等迄今也尚未开发出并行版本。本文在SGI公司的Origin2000服务器上，应用商用软件Marc对并行计算的效率以及选用求解 器的种类在各种不同匹配下的计算时间进行了分析对比。结果见表1。同时，由计算时间所 推出针对各种求解器不同cpu个数时的加速比见表2。表1不同类型求解器与cpu匹配计算时间单位：s 求解器类型  

16、          1cpu        2cpu        3cpu          4cpu Direct sparse       38792.90    19140.81&#

17、160;   12876.02      9844.03  s Iterative sparse    39922.07    21428.96    149 65.19     11345.68 Hardware sparse     32341.59    15332.17    10

18、43 3.55     8106.96 Direct profile      123387.63   43012.26    2778 8.29     19284.35 表2同类型求解器与cpu匹配条件下的加速比求解器类型             1cpu   &#

19、160;   2cpu         3cpu         4cpu Direct sparse          1          2.02       &#

20、160; 3.01         3.94 Iterative sparse       1          1.86         2.67         3.52 Hardware sparse&#

21、160;       1          2.11         3.10         3.99 Direct profile         1    

22、0;     1.94         3.00         4.32 上述加速比分别以每种类型求解器单cpu时运行速度为基数，结合表1可以反应出求解过程中 的最佳组合。从表2的结果可以看出，加速比与cpu个数相差无几，加速性能极为优越。本文 由于硬件条件的限制，只进行了最多4个cpu条件下的分析，而随着cpu数的增加，并行计算 的优越性会更加明显。目前，多cpu计算机已不罕见，而随cpu数目

23、的增加，对并行计算软件 的要求也相应提高，如何对计算机资源进行合理分配是多cpu条件下并行计算的关键技术问 题。目前，本研究组正在IBM公司的SP2计算机上进行16cpu并行计算问题的研究。另一方面，随着计算机技术的飞速发展，高性能微机并行技术受到更多的关注，随着合适的 高性能数据交换开关的研制成功，高性能微机并行技术已经变得切实可行，一方面计算效率 并未降低，另一方面费用大幅度减少，使更大规模的并行计算不致耗资过分庞大。无论在数 值计算领域还是计算机技术领域，分布式并行计算系统都显示出了极大的发展潜力， 后文对此作进一步探讨。 4高温性能参数对焊接过程仿真结果影响的研究材料的高温性能参数对焊

24、接过程数值模拟的结果和计算过程均有较大的影响，因此也必然要 对数值模拟的精度和准确性产生影响。而材料高温性能方面的数据又非常匮乏，并且实验结 果的稳定性和准确性也比较差，因此本文对材料高温性能对数值模拟的影响也在精度和效率 两方面进行了初步的探讨。材料在足够高的温度下，屈服极限和弹性模量等重要参数的数值将失去其实际物理意义，但 由于焊接过程的数值模拟基本上是以弹塑性理论为基础的，因此这些参数必须是非零值，而 这些参数取值过小会导致收敛的困难，并且即使收敛也会使计算时间大幅度增加，参数取值 偏大又会影响结果的准确性。因此，虽然材料高温性能的实际物理意义比较模糊，但本文仍 在虚拟的基础上对材料高温

25、性能参数的影响进行了研究。本文的工作是在数值模拟的基础上，以材料屈服极限为例，进行了不同材料高温性能参数时 计算结果和时间的对比性研究。分析本身就是建立在一定的假设条件基础上的，结果反映的 是一定假设条件下参数不同取值时的影响。在研究过程中采用4种材料屈服极限。在各方案中材料高温屈服强度的取值见图2，图中方案 0中数据6001400为插值法获得，1900的数据为外图2材料性能参数随温度变化方案推法获得，其余选自文献 7。方案1将900以上的屈服极限提高到和900时相等的水平，屈服极限的绝对值 改变了约148%590%（11001410），但相对室温时的最大屈服极限值而言只改变了约7. 9%。方

26、案2将600700间的材料屈服极限迅速降低至1410附近的水平，屈服极限在变化 的温度范围内相对值变化最大约为88%（700处）。相对于室温时的屈服极限值，变化 最大处改变了约23%。方案3将1300以上的屈服极限提高至1300的水平，相对该温度区间 内的屈服极限值改变了约650%。4种方案下计算所用cpu时间分别为307 296 s、277 560 s 、353 772 s和280 368 s。计算结果表明，对于上述4种方案，在应力和位移的计算结果中，纵向应力、横向应力变化 和 横向位移变化均无差异，仅纵向位移变化产生了一定的变化，与方案0相比，方案1变化了16 .7%，方案2变化了7%，而

27、方案3则几乎无差别。结合计算时间的对比，可以看出对材料高 温性能参数作适当的调整不仅不会影响计算的精度，而且能够提高计算效率。5未来应重点研究的几个问题目前实际结构焊接过程的数值模拟研究虽然取得了很大的进展，但仍存在许多问题。首先在 建立科学而精确的物理模型方面还需要做大量的基础性研究工作，其次对数值模拟结果如何 进 行实验验证以保证其准确性也有待加强8。然而，即使在目前建立的近似模型条 件下，焊 接过程数值模拟的主要矛盾也在于冗长的计算时间。在实际焊接结构中，即使结构尺寸较小 ，在采用上述某些技术的条件下，计算时间仍冗长。为进一步大幅度地缩短计算时间，除 随着计算机技术的发展而提高计算速度外

28、，下述几个问题应属未来需重点研究的。5.1单元技术的开发单元技术一直是有限元技术的核心问题之一，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仿真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 程的仿真分析而言，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，因此完全可以根据这个特点，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，

29、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Abacus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。5.2可行的结构简化方案一般的结构简化方案主要指将三维问题转化为二维问题，或者忽略结构上的非关键部件，这 些方面已经有较多的研究。本文所探讨的结构简化方案不包括上述方法，而是针对焊接结构 的 特点而提出的。从焊接过程力学现象的本质分析，可以将其看作在一个大的弹性体上发生局 部区域的热弹塑性变形，而且在焊接全过程中，发生局部热弹塑性变形的区域

30、只占焊接结构 整体的一小部分，因此完全可以将发生热弹塑性变形的局部区域网格进行精细划分，而纯弹 性区域以非常稀疏的网格反映。在此前这种划分方法受到网格协调性的限制，从精细区到稀 疏区需要逐步过渡，限制了网格数量减少的速度。而有限元技术的最新进展可以采用接触技 术，无需网格的逐步过渡，仅需要通过适当的设置，将不协调的节点固定在相邻的指定区域 上，则可以大幅度减少节点和单元数目，节省计算时间。该方案对计算效率和求解精度的定 量影响目前正在研究中。5.3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

31、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分析进行的，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

32、核心 部分，从根本上改变了程序结构，将耗费大量的工作。5.4分布式并行处理系统的建立仅仅在两年前，并行系统的概念还主要是指并行计算机。但随着网络和数据通讯技术的迅猛 发展，分布式的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，国内外科研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 理机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

33、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，或在已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。当然，应用软件本身 也需要支持分布式并行计算。5.5相似理论在焊接过程数值模拟中的应用及相应的热源和单元技术 由于焊接过程的复杂性，在提高计算效率和精度的同时，同样有必要引入相似理论。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，因此本研究组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 ，在减小结构尺寸的条件下，热源的几何尺度也要相应减小。为了能够仍然准确地描述温度 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