加工过程的数值模拟作业(共18页)

1、材料(cilio)加工数值模拟论文(lnwn)专业：材料(cilio)加工姓名：闫禹伯学号：2013432109目录(ml)第一章铸造过程(guchng)的数值模拟分析传统铸件的生产是根据经验确定铸造工艺，先试浇铸，检验试样是否存在浇铸缺陷，如有则修改工艺方案，然后重复上述过程，直至获得合格铸件。由于这种方法必须在浇铸后才能(cinng)对铸件工艺是否合理进行评价，因而该方法存在设计周期长、生产成本高、效率低等缺点；而且得到的往往不是最终铸造工艺，对于大型或复杂形状铸件该缺点显得更加突出。铸造CAE模拟技术是利用计算机技术来改造(gizo)和提升传统铸造术，对降低产品的成本、提高铸造企业的竞争

2、力有着不可替代的作用。铸造过程数值模拟的发展现状计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科1-5，是公认的材料科学的前沿领域。铸造过程数值模拟技术经过了四十年的发展历程，其间，从简单到复杂、从温度场发展到流

3、动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。如果说10年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真技术还抱有观望、怀疑的态度的话，那么10年后的今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。上世纪90年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重

4、要性，纷纷引入该技术，目前已有超过200家铸造企业拥有模拟仿真手段，在实际生产中起到了较为重要的作用。作为铸造领域的高新技术，模拟仿真领域的理论研究和应用开发非常活跃，其内涵和外延不断得到丰富与拓展。二数值(shz)模拟在铸造过程(guchng)中的应用数值模拟(mn)的目的就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，从而对铸件所设计的铸造工艺进行验证和优化，以获得健全的铸件。铸件充型、凝固过程的计算机模拟仿真(CAE)技术的研究与开发起步于20世纪60年代，现已经进入了工程实用化阶段。目前CAE商品化软件普遍增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度，充型

5、过程的数值理论和算法也趋于完善，对充型过程类缺陷如浇不足、冷隔、气孔、夹渣等也能够进行有效地定性预报，应力场以及组织模拟也取得了一些进展。目前计算机在模拟铸造过程中的应用主要集中在以下4个方面。（一）充型凝固模拟。已经研究许多算法，如并行算法、三维有限元法、三维有限差分法、数值法与解析法等，主要以砂型铸造的充型模拟为主，其发展趋势是辅助设计浇注系统。（二）缩孔缩松预测。钢铸件的缩松判据可采用GL，是将其由二维扩展到三维进行缩松形成的模拟，对于同时存在多个补缩通道的铸件，则采用多热节法进行缩孔、缩松的预测。铸件缩孔与缩松的图像模拟也在卓有成效地进行。（三）凝固过程应力模拟。主要针对铸件残余应力和

6、残余变形进行模拟，而液固共存时应力场数值模拟是应力场数值模拟的核心，许多铸造缺陷如缩松、缩孔、热裂等都发生在此阶段。由于液固共存态力学性能的测定十分困难，目前还没有完全建立此阶段的力学模型，因此仍是整个铸造过程模拟的难点。国内外不少数值模拟软件已经具有应力分析的功能。现阶段应力场研究大都是在自己的系统中借用现成的大型通用有限元分析软件如ANSYS、MARC、ADINA等进行二次开发，也建立了相应的数学模型，主要有弹性模型、弹塑性模型、粘塑性模型等。对热裂的模拟经过几十年的研究，总结了影响因素和相应的判据，也提出了几种不同的理论，但总的来说这些理论还不能进行定量描述，尚需进一步研究。近几十年发展

7、起来的流变学为固液两相区的力学行为研究拓展了新的方向，在此基础上发展的流变学模型采用简单的弹性体、粘性体和塑性体等理想的力学模型组合来表示材料复杂的流动及变形规律，从而能够准确地反映流动变形随时间的变化规律，因此流变学的方法适合处理铸件在凝固过程中尤其是准固相区的流动及变形规律。另一种方法是将有限差分法和有限元法结合起来，利用有限差分法分析流动和传热，用有限元法计算应力。（四）凝固过程微观组织模拟。微观组织模拟是一个(y )复杂的过程，比凝固和充型过程(guchng)模拟具有更大的困难。近年来各种微观组织模拟方法纷纷出现，已成为材料科学的研究热点之一。这些方法虽能在一定程度上比较准确地模拟合金

8、(hjn)的凝固组织，但由于实际的凝固过程比较复杂，这些方法都作了很多假设，因此离实际的铸件凝固组织模拟还有一定距离。目前主要的模拟方法有确定性模拟、随机性模拟、相场方法、介观尺度模拟方法等。场相法是研究直接微观模拟的热点，主要的模拟模型有三种：MonteCado(MC)方法、元胞自动机模型、相场模型。现有研究领域中球铁的微观组织模拟仍是主要的研究方向之一；把相图计算并入宏观和微观耦合模拟中，并且同时考虑显微组织和偏析是进行多元合金模拟的必经之路。三铸造过程数值模拟在生产中的应用铸造CAE技术是根据设计出的铸造工艺对铸件进行充型和凝固模拟并将模拟结果进行可视化处理，预测铸件可能产生的缺陷。目前

9、，凝固过程的温度场模拟以及缩孔、缩松预测已经应用于实际的生产当中。在充型、应力分析及微观组织等方面也取得了很大的进展随着铸件结构的日趋复杂化和大型化，对铸件的外在和内在质量要求也越来越高。铸造凝固过程的计算机模拟经过大约40年的发展，已取得了很大的进展，通过数值模拟和物理模拟相结合的方法，可实现计算机试生产、动态显示工艺历程、预测缺陷和优化工艺。大量的商品化软件的出现及其在实际生产中的广泛应用，说明了宏观场量模拟已逐步完善，如温度场、流场、应力应变场等；到目前为止，典型的商品化软件有Ansys、LSDYN3D、Procast、ViewCast等。铸造过程仿真模拟可以协助铸造工艺师改进工艺设计，

10、提高铸件的质量。长期以来铸造工艺设计师就有一愿望，即在浇注之前能够调试和改进工艺，直到(zhdo)所设计的工艺方法能获得高质量的铸件再进行实际浇注。凝固模拟技术就有可能提供给铸造工艺设计师这样一个有力的工具，使其可以根据凝固模拟所显示的可能出现的缺陷和位置加以改进直至满意为止。没有凝固模拟这样一个有力的工具，铸造工艺设计师就只能先试浇，浇注完之后根据铸件的具体情况加以改进设计，修改模型。这样，不仅增加了试制费用而且延长了样件试制周期。如果(rgu)在正常生产线上试制有可能影响正常生产。因此有的铸造厂专设了样件试制部门以保证样件的质量和进度，但除了对正常生产影响小以外，试制费用和样件试制周期无显

11、著改进，而且还增加投资和费用。铸造过程计算机模拟及优化技术可以彻底改变铸造工艺方案制定过程中的不确定性，确保工艺的可行性和铸件质量、缩短产品开发周期、降低成本、提高市场(shchng)应变能力，是改善企业T(上市时间)、Q(质量)、C(成本)、s(服务)的必要手段，对提高铸造企业的生产水平和竞争力具有重要的现实意义。铸造生产出现的许多缺陷都与金属凝固过程密切相关，铸件凝固过程的计算机仿真模拟，可以形象准确地描述这一复杂的变化过程，显示铸件凝固过程中所发生的温度变化和液固态变化，并预测出可能发生的缩孔、缩松等缺陷。仿真是材料科学与制造科学的前沿领域及研究热点。根据美国科学研究院工程技术委员会的测

12、算，模拟仿真可提高产品质量515倍、增加材料出品率25、降低工程技术成本1330、降低人工成本520、增加投入设备利用率3060、缩短产品设计和试制周期3O60等。四铸造过程的计算机模拟4.1铸件充型模拟铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用，许多铸造缺陷如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关，铸造过程计算机模拟能够较为准确的反映充型过程和缺陷生成过程，这对于优化充型系统设计，避免铸造缺陷的形成具有重要的意义。在铸造工艺设计中，我们可以直观地发现一些不合理的设计并提出工艺改进使铸件一次浇注成功。4.2铸件凝固(nngg)模拟铸造过程中大部分缺陷主要是缩松

13、和缩孔缺陷，而这些缺陷大都是在铸件凝固(nngg)过程中形成，因而比较精确的再现铸件的凝固过程对缩松和缩孔缺陷的预测显得极为重要。铸造过程仿真模拟能够预测铸件的缩松和缩孔缺陷。4.3疏松(sh sn)缺陷的预测Procast采用Niyama判据预测疏松即疏松形成的条件为M=ArbGcLd当a=1；b=0；c=1；d=-0.5时；M=GL临界值；判据中G为温度梯度，L为冷却速度，此处临界值取10，在凝固过程中因枝晶阻碍液体金属的流动而不能有效地补缩，容易产生疏松缺陷。4.4模拟步骤(基于procast)1、创建模型：可以分别用IDEAS、UG、Pro/E、PATRAN、ANSYS等作为前处理软件

14、创建模型，输出ProCAST可接受的模型或网格格式的文件。2、MeshCAST：对输入的模型或网格文件进行剖分，最终产生四面体网格，生成xx.mesh文件，文件中包含节点数量、单元数量、材料数量等信息。3、PreCAST：分配材料、设定界面条件、边界条件、初始条件、模拟参数，生成xxd.dat文件和xxp.dat文件。4、DataCAST：检查模型及Precast中对模型的定义是否有错误，输出错误信息，如无错误，将所有模型的信息转化为二进制，生成xx.unf文件。5、ProCAST：对铸造过程模拟分析计算，生成xx.unf文件。6、ViewCAST：显示铸造过程模拟分析结果。7、PostCAS

15、T：对铸造过程模拟分析结果进行后处理。第二章锻压过程的数值(shz)模拟数值模拟技术在金属塑性加工中的作用有两个方面:第一，在工艺(gngy)设计和模具设计阶段可以对设计进行试运行，并找出设计中的错误，将实际生产中的工艺修定(xi dn)和模具修改降低到最小程度；第二，在产品制作中可以大幅度降低制作成本。数值模拟技术可以将看不见的研究对象进行可视化处理，因此是金属塑性加工设计和研究的有力工具，其作用非常之大。基于有限元方法的数值模拟技术由于其独特的优势，如适合于各种复杂的边界以及非线性问题等，在塑性加工领域获得了最广泛的应用。其主要目的是用来优化工艺过程、提高质量、缩减产品的研发周期以降低成本

16、及提高生产率。一研究背景锻造成形是现代制造业中的重要加工方法之一。锻造成形的制件有着其他加工方法难以达到的良好的力学性能。随着科技发展, 锻造成形工艺面临着巨大的挑战，各行业对锻件质量和精度的要求越来越高, 生产成本要求越来越低。这就要求设计人员在尽可能短的时间内设计出可行的工艺方案和模具结构。但目前锻造工艺和模具设计, 大多仍然采用实验和类比的传统方法, 不仅费时而且锻件的质量和精度很难提高。随着有限元理论的成熟和计算机技术的飞速发展, 运用有限元法数值模拟进行锻压成形分析, 在尽可能少或无需物理实验的情况下, 得到成形中的金属流动规律、应力场、应变场等信息, 并据此设计工艺和模具, 已成为

17、一种行之有效的手段。锻造成形大多属于三维非稳态塑性成形, 一般不能简化为平面或轴对称等简单问题来近似处理。在成形过程中, 既存在材料非线性, 又有几何非线性, 同时还存在边界条件非线性, 变形机制十分复杂, 并且接触边界和摩擦边界也难以描述。应用刚粘塑性有限元法进行三维单元数值模拟, 是目前国际公认的解决此类问题的最好方法之一。随着有限元理论(lln)的广泛应用和计算机技术的快速发展,运用有限元法数值模拟对锻压成形(chn xn)进行分析, 在尽可能少或无需(wx)物理实验的情况下, 得到成形中的金属流动规律、应力场、应变场等信息, 并据此设计成形工艺和模具, 成为提高金属成形效率和生产率的行

18、之有效的手段。由于锻造成形的制件大多属于三维非稳态塑性成形过程, 在成形过程中, 既存在材料非线性和几何非线性, 同时还存在边界条件非线性, 接触边界和摩擦边界也难于描述, 因此变形机制十分复杂。应用刚( 粘) 塑性有限元法进行三维单元数值模拟分析是目前公认的解决此类问题的最好方法之一。数学模型、边界条件等是三维单元数值模拟的关键技术问题, 成为制约模拟结果优劣的决定性因素, 所以研究解决这些关键技术成为数值模拟研究领域的热点课题。经过数十年的发展, 在某些方面形成了一些较成熟的方法, 但有些方面还不完善, 还需要进一步的研究探讨, 寻找更有效的解决措施。首先介绍了刚(粘) 塑性有限元法基本理

19、论基础, 并在此基础上重点总结了锻造成形数值模拟中的关键技术, 通过列举现有应用实例, 对这些关键技术研究的现状及存在问题作了系统深入分析。二锻压过程的数值模拟现状在塑性成形中使用有限元技术进行工艺工程数值模拟已有三十多年的历史。在发展的初期只能实现一些二维的简单模拟，而且耗时长，精度也很不如人意。三维有限元模拟在上世纪九十年代中期才兴起并由于计算机技术及各种有限元求解算法的快速发展而迅速得到广泛应用。各种各样的商业有限元软件的出现使得在金属塑性成形中的工艺设计及优化领域达到一个前所未有的水平，是传统的理论和实验方法所不能取得的。汽车制造领域最能体现有限元模拟技术的发展，在美国， 福特公司早于

20、1970年就采用有限元模拟技术；欧洲的一些大牌汽车厂商如奔驰、雷诺、富豪等也在上世纪八十年代开始广泛应用有限元法；随后日本的马自达、丰田、尼桑等公司也开始使用。当前有限元数值模拟技术的应用范围已由二维扩展到三维，可以进行自适应网格重划，可以分析形状及受力非常复杂的三维几何模型；从原来(yunli)典型的简单工艺模拟扩展到各种复杂的工艺模拟，可以对工艺参数和几何参数进行优化计算；从宏观分析发展到微观分析，可以预测弹性回复、残余应力、加工硬化，预测工件在变形过程中的微观组织，模拟退火、正火、淬火、回火等热处理过程中的材料组织变化；并且还能分析一些较复杂的耦合问题（如考虑包括塑性变形功和摩擦功的热效

21、应在内的热力耦合以及考虑变形(bin xng)和相变在内的材料组织性能演化的耦合分析等）。第三章焊接数值模拟技术的发展(fzhn)现状焊接是一个涉及电弧物理(wl)、传质传热、冶金和力学的复杂过程，单纯(dnchn)采用理论方法，很难准确解决生产实际问题，而要得到一个高质量的焊接结构，必须要控制这些因素。近20年来，随着计算机技术的飞速发展，国内外研究者开始用计算机对焊接进行数值模拟研究，以此来准确分析焊接中的一些现象。焊接数值模拟技术的发展使焊接技术有了突破性的发展。一.焊接接头微观组织的数值模拟在焊接过程中，快速加热和快速冷却都会使焊接接头的微观组织发生很大的变化，影响焊接接头的性能，而这

22、些又很难用传统的实验法和数学模型来分析。因此，人们开始应用数值模拟技术对焊接接头的微观组织进行数值模拟。焊接过程冶金分析包括焊接熔池中的化学反应和气体吸收、焊缝金属的结晶、溶质的再分配和显微偏析、气孔、夹渣和热裂纹的形成、热影响区在焊接热循环作用下发生的相变和组织性能变化，以及氢扩散和冷裂纹等的预测。目前用于焊接接头微观组织模拟的方法主要有基于概率模型的MonteCarlo(MC)方法、CellularAutomaton(CA)方法及相场法。1.1MonteCarlo(MC)方法MC方法的实质就是采用随机抽样的方法来解释物理模型。1983年，Anderson首先提出了将MC方法应用于晶粒生长后

23、尺寸分布等方面的研究，之后Radhakrishnan和Zacharia提出了修整MC的方法，把时间引入到模拟当中，于是，这种方法开始逐步用于焊接接头的微观组织模拟。最初(zuch)的MC方法(fngf)，只能在等温下模拟(mn)晶粒的成长过程。LIMY等人应用二维MC方法模拟镍板在激光焊过程中所形成的热影响区的组织，发现在加热、冷却过程中，晶粒正常生长机制占很重要的地位。YANGZ等人通过变温条件下的三维MC方法模拟工业纯钛在焊接过程中的晶粒成长情况时发现，热影响区表面的散热要快很多，导致晶粒从表面到根部逐渐增大。最后将以前的二维模拟进行了修正。1.2CellularAutomaton(CA)

24、方法CA法最早是由VonNeumann和Ulam作为一种可能的理想模型而提出的，是物理体的一种理想化，可以说是一种建立模型的基本方法。元胞自动机在刚刚提出的时候并未引起人们的足够重视，直到SWolfram较为详细地给出了元胞自动机的一些数学理论基础，才激发了人们对它的研究。Guillemot将CA模型与有限元(FE)模型结合，建立了一个模拟晶粒生长过程的宏观偏析模型，模拟晶粒在无过冷时的生长情况。在我国，夏维国通过研究二维晶粒的生长动力学曲线，并分析对其生长的影响，利用CA模型模拟了晶粒的成长过程。CA法已经普遍应用于相变微观组织的转变过程中，并得到了很好的效果。1.3相场法相场法是近年来比较

25、新的一种模拟方法。研究者可以在支晶尺度上真实地模拟微观组织的形成，并引入了新变量-相场。相场是一个序参量，表示系统在时间和空间上的物理状态。例如=3代表固相区，=6代表液相区，在固液界面上U的值在36之间连续变化。DMarcus等人建立了三维相场模型，模拟了定向凝固过程中的晶粒生长等情况。MAZ等人应用相场法模拟发现，在晶粒生长过程中因素对晶体结构变化的影响最为显著。相场理论是建立在统计学基础上的，相场方程的解可以很好地描述金属系统固液界面的各种形态。二焊接温度场的数值(shz)模拟焊接(hnji)过程中会产生温度场，对其数值模拟的研究已广泛应用到焊接领域。焊接构件时会出现(chxin)很多情

26、况，例如裂纹、凝固等。对不均匀温度场的数值模拟，可以更好地研究其产生的原因及对其他性能的影响。在焊接过程中，焊接热输入和热传导对冶金过程、固态相变、组织性能和应力应变等都有着重要的影响。焊接是一个局部快速加热到高温，随后快速冷却的过程。随着热源的移动，整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变潜热的现象。因此，焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题，焊接温度场的数学模型基于傅里叶热传导方程。准确模拟焊接温度场的关键在于提供准确的材料属性、热源模型与实际热源的拟合程度、边界条件是否设置恰当以及网格划分等。2.1模型的建立和方法的实施首先，建立

27、含有沿焊缝移动电弧热的二维焊接温度场的计算模型，考虑热源的热输入和上下表面的辐射散热，但忽略板边的辐射热损失和边界条件。对TIG焊，一般都将电弧看成辐射状对称并呈高斯分布的二维热流作用于工件表面。其次，熔池内流体流动由于增加了热传导速度，对焊接过程的温度场也有着重要的影响。近年来，熔池内流体传热和流动成了研究的热点并取得了很大的进展。在焊接过程的数值模拟研究中，提出了一系列热源模型，常用的有Rosenthal解析模型、高斯热源模型、半球状热源模型、椭球形热源模型和双椭球形热源模型等。Rosenthal解析模型基于以下假设：热源为点热源、线热源或面热源；材料为固态，无相变发生；材料的热物理性能不

28、随温度变化；焊接构件为无限体或半无限体。这些假设与焊接实际情况有很大出入，因此模拟结果会出现较大偏差。随着对电弧物理的深入研究，焊接热源模型不断得到完善。Eagar和Tsai提出了将焊接加热斑点上热流密度的分布近似地用高斯数学模型来描述的方法，这种热源分布函数在早期使用有限元方法计算焊接温度场时应用较多，在二维导热方程计算时常将纵向热流忽略。在电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况下，高斯分布的热源应用模式较准确，但对高能束焊接如激光焊、电子束焊，高斯分布函数没有考虑电弧的穿透作用，在这种情况下，AGoldak提出更为实际的一种热源模式半球状热源分布函数。这种分布函数也有一定局限性，因为实践中熔

29、池在激光焊等情况下不是球对称的，为了改进这种模式，AGoldak提出了椭球形热源模型。在用椭球形热源分布函数计算时，发现在椭球前半部分温度梯度不像实际中那样陡变，而椭球的后半部分温度梯度分布较缓。为克服这个缺点，AGoldak提出了双椭球热源模型，将焊接熔池的前半部分作为一个14椭球，后半部分作为一个14椭球，焊接不同材质时，也可将双椭球分成4个18的椭球瓣。上述所有(suyu)热源模型的共同点是忽略在焊接熔池中的复杂过程，特别是熔化和结晶过程中的熔合区移动和借助对流和热辐射的传热；焊接熔池中复杂的热过程(guchng)用导热连续体中的焊接热源加以近似。对于通常(tngchng)的焊接方法如焊

30、条电弧焊、钨极氩弧焊，采用高斯分布的函数可以得到较满意的结果。对于电弧冲力效应较大的焊接方法，如等离子焊、熔化极氩弧焊和激光焊接，常采用双椭球形热源分布函数。为求准确，还可将热源分成两部分，采用高斯分布的热源函数作为表面热源，焊件熔池部分采用双椭球形热源分布函数作为内热源。对于一些大型实际构件因计算规模和计算量大、收敛困难，导致模拟仿真时出现各种问题。针对这种情况，清华大学的蔡志鹏等人提出了分段移动热源和串热源模型，从而大幅提高了计算效率。金属材料的物理性能参数如比热容、导热系数、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

31、过程中，焊件局部加热到很高的温度，整个焊件的温度变化十分剧烈，如果不考虑材料的物理性能参数随温度的变化，计算结果一定会有很大偏差。所以在焊接温度场和应力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。用有限元法对所建立的模型进行计算，可分为3步:1.确定材料的热物理参数；2.落实边界条件；3.区域离散化。假定采用的材料是各向同性且均匀的，其热物理参数随温度而变化。为了处理可能比较大的温度梯度，在焊缝及其附近可采用较密的网格。2.2温度场的计算结果和影响不同(b tn)的潜热处理方式对温度场的影响很大。与假定潜热在固液相线间以恒定速率释放的计算结果相比，实测(sh c)方法计算出的

32、熔池尺寸相对较窄，但对低温处的温度影响不大。熔池内的对流传热加快(ji kui)了传热速度，因此对焊接温度场也有很大的影响。当考虑了熔池内的对流传热影响时，计算出的熔池尺寸及其附近温度场等温线比不考虑时也变宽了，而对远离熔池的温度场影响不大。如果只是焊接线能量相同，焊接参数改变时，等温线的形状和尺寸也会发生很大变化。大电流快速焊情况下焊接熔池及温度场变得很狭窄，反之会很宽。焊接导热问题的常见边界条件可归纳为以下三类：给定了边界上的温度值，称为第一类边界条件；给定了边界上的热流密度值，称为第二类边界条件；给定了边界上物体与周围介质间的换热系数及周围介质的温度，称为第三类边界条件。对于无限大的物体

33、，边界条件所产生的影响可以忽略。焊件的边界由于与外界存在温度差而与周围介质换热，其中包括对流换热和辐射换热。在焊接时热能的损失主要是通过辐射换热，而对流换热作用相对较小，温度越高则辐射换热作用越强烈。一般辐射与对流换热计算方式不同，为了计算方便，应考虑总的换热系数。严格地说，对流换热系数还与焊件的部位有关，因为周围气体流动特性不一样，但要测出不同部位的对流换热系数是很困难的，所以一般不予考虑。此外，与材料的其他物理性能参数一样，换热系数也随温度的变化而变化。在计算时，必须给定随温度变化的表面换热系数值。在划分网格时，考虑到焊缝处的温度梯度变化较大，一般采用在焊缝及其附近部位加密网格；在远离焊缝

34、的区域，温度分布梯度变化相对较小，划分较为稀疏的网格。总之，在保持精度的同时减少网格的数量，为更好的提高效率和精度，还应进一步优化网格。薛勇、张建勋等在划分网格时采用弹塑性非线性区与线弹性区分开计算的迭代子结构技术，将局部区域的单元凝聚为超单元以便在求解中节省机时。ShiQingyu等开发了动态可逆的自适应网格划分技术，不仅比普通方法节省了13的计算时间，而且温度场和变形与实际情况符合，虽然应力分布略有不同，但整体趋势一致。三.焊接(hnji)应力-应变的数值(shz)模拟焊接过程(guchng)温度分布是不平衡的，焊接区周围的材料也会有不同的膨胀率和收缩率，最终形成三维残余应力状态。焊接应力

35、-应变的数值模拟分析，包括动应力-应变过程、焊接残余应力、残余变形和消除应力等，会很好地提高焊接接头的性能。3.1理论的建立和发展之前人们通过试验得到了很多与焊接应力-应变有关的经验公式，但那些只能解决一些很简单的问题。随着焊接热力模拟理论、有限元技术和计算机技术的发展，极大地促进了焊接应力-应变数值模拟技术的研究。在一维解析式中，分析了一维条件下焊接过程中的残余应力与应变过程，然后对多道焊、角焊和圆周型压力容器焊接的应力变形进行了三维热弹塑性有限元分析，得到了较理想的结果。最后应用二维和三维焊接残余应力与应变进行了预测和测量。最近，ABachorski等人提出了收缩体积法的焊接变形有限元预测

36、理论，这是一种线弹性有限元模拟技术，现在被用来预测焊接变形。20世纪90年代以来，人们开始用连续统力学的理论研究焊接问题。连续统力学是一套严密而完整的力学体系，它研究整个系统的平衡状态，考虑物质的各种形态，主要包括质量与动量守恒定律以及材料的本构关系。通过计算，连续统力学可以直接解决一些线性、对称和确定的问题。3.2焊接力学模型在焊接熔池中，材料经历了快速加热、凝固和快速冷却过程。通过对一个简单的一维问题的分析，就可以表明材料应力-应变的演化过程。假设在加热和冷却的过程中，温度都是线性变化，那么可以计算相应热应力的变化过程。冷却时，塑性应变可以通过从总的热应变中减去弹性应变而得到。计算效率是焊

37、接力学模拟中的关键，人们在这一领域进行了许多研究，提出了很多方法。蔡志鹏等人通过分析焊接热源的特征，在高斯热源的基础上，根据输入热功率相当提出了段热源模型，并进一步提出了更为实用的串热源模型，对其进行了比较分析，得到了非常相似的结果，这是在研究中比较灵活、方便的焊接模拟。焊接变形的预测方面以热弹塑性有限元法和固有应变法应用最为广泛。此外，还有线弹性体积收缩法、相似理论、人工神经网络等焊接变形预测的方法与理论。线弹性体积收缩法将复杂(fz)的非线性和弹塑性变形转化为线弹性变形，假定线性热膨胀是变形的主要驱动力，可以精确地预测大型复杂焊接结构的变形问题，其精确性依赖于焊缝处收缩体积的计算精度。对于坡口角度小于50的焊接结构则存在较大误差，另外该法也不适用于预