焊接课件2016-3-11课件

1、 焊接过程的计算机模拟2016-3-112016-3-11焊接是先进制造技术的重要组成部分。先进制造技术的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断走向定量分析。将数值模拟应用于铸造、锻压、焊接、热处理等工艺设计中，并与物理模拟和人工智能技术相结合来确定工艺参数，优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及采取的防止措施，控制和保护加工工件的质量。数值模拟技术通过一组描述焊接基本物理过程的偏微分方程及其定解条件来模拟焊接过程，采用数值方法求解以获得对焊接过程的定量认识。采用科学的模拟技术和少量的实验验证相结合的方法，以代替过去一切都要通过大量重复性实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以

2、通过数值模拟解决一些目前尚无法在实验室里进行直接研究的复杂问题。数学模型（Mathematical Model）是用数学符号对一类实际问题或实际发生的现象的（近似的）描述.数学建模（Mathematical Modeling）则是获得这种模型并对之求解、验证并得到结论的全过程。数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。 比如熔池中的流体流动，通过计算并将其计算结果在屏幕上显示，可以看到流场的各种细节。 数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。数值模拟的步骤：

3、首先，要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。如：焊接熔池流体动力学状态及传热过程：各个物理量服从守恒原理的控制方程组包括连续性方程、能量守恒方程和动量守恒方程。它们的标准形式如下：222222zTyTxTzTWyTVxTUtTCPxPFzUWyUVxUUtUxyPFzVWyVVxVUtVy222222zUyUxU222222zVyVxVzPFzWWyWVxWUtWz222222zWyWxW0zWyVxU（T, U,V,W,P）(2)定解条件：包括初始条件

4、和边界条件，是密切结合具体焊接过程和工艺状态提出来的。 任何一个实际问题，必须充分考虑具体情况，提出合适的定解条件，才能建立相应的模型。(1)控制方程2. 数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括边界条件的处理等。3. 编制程序和进行计算。实践表明这一部分工作是整个工作的主体，占绝大部分时间。由于求解的问题比较复杂，比如方程就是一个非线性的十分复杂的方程，它的数值求解方法在理论上不够完善，所以需要通过实验来加以验证。正是在这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。应该指出这部分工作决不是轻而易举的。4. 后处理。在计算工

5、作完成后，大量数据只能通过图像形象地显示出来。因此数值的图像显示也是一项十分重要的工作。目前人们已能把图作得像相片一样逼真。利用视频播放可以显示动态过程，模拟的水平越来越高，越来越逼真。 数值模拟是基于已有理论、假设和数据的计算，包括推测，必须是掌握了规律和模型，然后推算条件范围内的其他数据点，内推为主，适当外推。因此，如果模型和已有数据正确，那么在新的条件下，基本是正确可靠的，通过计算可得到海量数据，通过视频给出详细演示过程，而实际过程中有些细节无法看到或测量的。做得好，可再现实际过程。Welded Joint(Residual Stress, Distortion, Microstruct

6、ure, Mechanical Strength, Soundness of Weldment)Heat/Energy GenerationMachine/Workpiece InteractionsWelding Process & ParametersHeat FlowStress & deformationMetallurgical ChangesHeterogeneous Material PropertiesPhase Transformation PlasticityThermal ExpansionThermal Dependent PropertiesCooli

7、ng Rate, Peak TemperatureTransformation KineticsLatent Heat of Phase TransformationGeometry,Overall Structure RigidityMaterial Composition焊接：复杂的传热学焊接：复杂的传热学- -力学力学- -冶金学耦合过程冶金学耦合过程Welding is a Complicated Thermal-Mechanical-Metallurgical Process多物理场的耦合：多物理场的耦合：* *力学：固体力学（应力与变形），流体力学；力学：固体力学（应力与变形），流

8、体力学；* *传热学：传导、对流、辐射；传热学：传导、对流、辐射；* *冶金学：相变、结晶、化学反应；冶金学：相变、结晶、化学反应；* *电磁学：电弧物理、电磁场。电磁学：电弧物理、电磁场。焊接多物理场的耦合模拟焊接多物理场的耦合模拟9Integrated Modeling of Materials, Processes and Properties焊接工艺、材料与接头性能的集成耦合模拟焊接工艺、材料与接头性能的集成耦合模拟 工艺过程模拟工艺过程模拟熔池（小孔）；流熔池（小孔）；流场、热场；焊缝成场、热场；焊缝成形，形， 热热- -力耦合模拟力耦合模拟应力、应变演变；应力、应变演变；残余应力与

9、变形残余应力与变形,热热- -冶金耦合模拟冶金耦合模拟相变；结晶；晶粒相变；结晶；晶粒长大；组织转变长大；组织转变,焊接工艺焊接工艺与材料与材料接头性能接头性能传热传热流体流动流体流动电磁场电磁场应力与变形应力与变形冶金反应与变化冶金反应与变化Welding Modeling from Process to Performance模拟方法模拟方法(Modeling approaches):* *有限单元法有限单元法(FEM)(FEM)* *计算流体动力学计算流体动力学(CFD)(CFD)* *蒙特卡洛法蒙特卡洛法(Monte Carlo)(Monte Carlo)* *原胞自动机原胞自动机(C

10、ellular Automata)(Cellular Automata)* *相场法相场法(Phase Field) (Phase Field) * *人工神经网络人工神经网络(ANN) (ANN) * *统计法统计法(Statistics) (Statistics) * *解析法解析法(Analytical),(Analytical),Multi-Physics Multi-Scale Weld Modeling of Microstructure & Properties多尺度：微观、介观、宏观多尺度：微观、介观、宏观焊接多物理场、多尺度的模拟焊接多物理场、多尺度的模拟11制造过程

11、制造过程（Fabrication）：* *过程控制与自动化过程控制与自动化* *工艺方案制定工艺方案制定性能评价性能评价（Performance）：* *冶金行为冶金行为* *微观组织与性能微观组织与性能* *焊缝缺陷焊缝缺陷* *残余应力与变形残余应力与变形* *焊接性焊接性* *接合强度接合强度* *结构完整性结构完整性* *结构特性（静态、疲劳、冲击）结构特性（静态、疲劳、冲击）* *计算机辅助工程（计算机辅助工程（CAE）焊接数值分析模型的应用：焊接数值分析模型的应用：焊接多物理场的耦合动态行为焊接多物理场的耦合动态行为: 极其复杂极其复杂,知识创新知识创新: :* *深入了解和掌握焊

12、接工艺涉及到深入了解和掌握焊接工艺涉及到的复杂现象及其相互作用的物理的复杂现象及其相互作用的物理机制。机制。工程应用工程应用: :* *制造过程制造过程（工艺方案制定；过程控制）（工艺方案制定；过程控制）* *性能评价性能评价（组织与性能；变形；缺陷组织与性能；变形；缺陷; ;等等）数值模拟的应用及意义数值模拟的应用及意义 缺乏有效、可靠的检测手段；缺乏有效、可靠的检测手段； 工艺实验，局限于具体实验工艺实验，局限于具体实验条件；成本高条件；成本高 因此，模拟与仿真因此，模拟与仿真+ +少量的实验验证，少量的实验验证， 是研究焊接热物理的强有力手段。是研究焊接热物理的强有力手段。美国材料基因组

13、研究计划美国材料基因组研究计划GMI简介：简介：MGI（Materials Genome Initiative）计划是美国计划是美国20112011年年6 6月启动的材料科学月启动的材料科学与工程发展规划，与工程发展规划，“其目的是通过系统研究其目的是通过系统研究和开发，帮助企业发现、和开发，帮助企业发现、研发和配置使用新材料的研发和配置使用新材料的速度提高两倍，我们将其速度提高两倍，我们将其称之为材料基因组研究计称之为材料基因组研究计划。划。” ” （奥巴马总统）（奥巴马总统）The word genome, when applied in non-biological contexts,

14、connotes a fundamental building block toward a larger purpose.基因组基因组( (genome) ) ：在生物学中：在生物学中, ,一个生物体的一个生物体的基因组基因组 是指包含在是指包含在该生物的该生物的DNA中的全部遗传信息中的全部遗传信息, ,又称基因体。又称基因体。基因组基因组 包括基因和包括基因和非编码非编码DNA。在非生物学的语境下，在非生物学的语境下，“基因组基因组”这个词，指的是可用于更大目标这个词，指的是可用于更大目标的一个基本构建单元。的一个基本构建单元。President Obama announced the

15、Materials Genome Initiative (MGI) on June 24, 2011.美国美国- -总统科技顾问委总统科技顾问委员会材料科学与工程员会材料科学与工程小组主席、美国国家小组主席、美国国家标准与技术研究院材标准与技术研究院材料测试研究部主任料测试研究部主任Locascio什么是材料基因组学？什么是材料基因组学？Materials Genome Initiative 传统的基因组学：基本构建单元是传统的基因组学：基本构建单元是DNA碱基与顺序碱基与顺序材料基因组学：基本构建单元是材料的成分、组织与性能材料基因组学：基本构建单元是材料的成分、组织与性能基于已有的材料科学

16、技术的基本知识，通过多学科融合和材料计算与试验基于已有的材料科学技术的基本知识，通过多学科融合和材料计算与试验高通量化，探寻材料成分、结构和性能之间的关系，旨在快速研发新材料，高通量化，探寻材料成分、结构和性能之间的关系，旨在快速研发新材料，降低研发成本，高效发展先进制造业。降低研发成本，高效发展先进制造业。材料基因组研究计划材料基因组研究计划MGI：其核心是通过计算技术、实验技术：其核心是通过计算技术、实验技术和数字化技术的集成应用，构成材料创新的总体框架。和数字化技术的集成应用，构成材料创新的总体框架。Computational Tools:材料行为模拟预测方面的巨大进展，为材料行为模拟预

17、测方面的巨大进展，为使用模拟软件解决材料领域挑战性问题使用模拟软件解决材料领域挑战性问题提供了非常好的机会。提供了非常好的机会。例如，模拟软件可以指导从大量化合物例如，模拟软件可以指导从大量化合物中选出特定性能新材料的实验；基于计中选出特定性能新材料的实验；基于计算机辅助分析的虚拟实验，可以代替某算机辅助分析的虚拟实验，可以代替某些成本高昂且费时的物理实验。些成本高昂且费时的物理实验。然而，这些计算工具尚未得到广泛应用，然而，这些计算工具尚未得到广泛应用， 原因在于工业界在接受非经验验证基础原因在于工业界在接受非经验验证基础上的结论时信心不足上的结论时信心不足。美国总统科技政策办公室发布的白皮

18、书美国总统科技政策办公室发布的白皮书最终目标：创建计算工具，用于现实最终目标：创建计算工具，用于现实世界的材料研发，并在各种条件下预世界的材料研发，并在各种条件下预测材料的性能。测材料的性能。为实现目标：需要（为实现目标：需要（1 1）创建精确的材料）创建精确的材料性能模型，验证模型给出的预测结果；性能模型，验证模型给出的预测结果；（2 2）创建模块化和用户友好的软件。）创建模块化和用户友好的软件。“材料基因工程关键技术与支撑平台材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项重点专项2016年度项目申报指南年度项目申报指南 依据国务院中国制造2025、科技部国家关键技术研究报告（初稿）、工程院材料系统工程发展战略研究中国版材料基因组计划咨询报告、中科院实施材料基因组计划，推进我国高端制造业材料发展、发展改