计算机辅助技术

1、计算机辅助焊接技术论文焊接数值模拟技术姓名：学号：班级：成型焊接数值模拟技术介绍了焊接数值模拟技术在焊接接头微观组织分析、焊接温度场分析、焊接 应力应变分析、氢扩散分析方面的研究现状，并对焊接数值模拟技术在这几方面 的模拟方法、原理及模型的建立进行了较为详细的介绍，最后，对我国焊接数值 模拟技术的发展进行了展望。焊接数值模拟方法一直是研究和电阻点焊过程的有效方法。详细介绍了焊接 过程数值模拟技术的研究现状和进展。并指出了焊接过程数值模拟及应用的发展 方向。关键词：焊接；微观组织；温度场；数值模拟The Welding Process of The Development ofNumerical

2、 SimulationAbstract:This article introduced research status of welding numerical simulation technology from several aspects， suchas microstructure analysis on welding joints， welding temperature field analysis，welding stress and strain analysis， researchstatus of hydrogen diffusion o and detailedly

3、introduced its simulation method，principle and modeling. Finallytheprospect of China welding numericM simulation technology is carried out.Welding numerical simulation methods has been research and the effective method of resistance spot process. Detailed introduces the welding process of numerical

4、simulation technology research and progress. And points out the welding process and application of the numerical simulation development direction.Key Words: welding ； microstructure； temperature field ； stress-strain ； hydrogen diffusion； numerical simulation1引言1.1背景焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程，单纯采用理

5、。 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1。然而焊接又是一个高度非线性的电、热、力等变量作用的耦合过程，其中包 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、焊接应力与变 形等，且电阻点焊熔核形成过程的不可见性和焊接过程的瞬时性给试验研究带来 了很大困难，使人们对电阻点焊的过程机理一直缺乏比较深入的认识。焊接热弹 塑性有限元分析还是近几年刚开始研究。其原因是由于三维

6、问题需要大容量的计 算机和较长的运算时间，同时对计算精度和收敛性等提出了更高的要求【2】。然 而实际的焊接结构大多属于三维问题，因此解决三维焊接热弹塑性分析具有重 要的理论意义和实用价值计算机技术和数值模拟技术的发展为焊接研究提供了 有效的理论分析手段，国内外的学者一直在尝试利用数值模拟的方法来研究焊 接过程，已相继建立了许多数值模型，并取得了很多突破.1.2数值模拟方法的发展过程数值模拟技术应用于电阻点焊源自20世纪60年代，研究者们依据描述 力、热、电过程的基本方程并对方程中参数变化和边界条件进行简化和假设，建 立了点焊过程的数学模型，进而用数值模拟的方法对点焊过程温度场、电流场、 电势和

7、应力、应变场进行求解，用以研究点焊过程机理【8】。其分析方法从有限 差分发展到有限元，模型从一维发展到三维，从单场分析发展到多物理场耦合 分析，考虑的因素越来越多并且越来越接近实际。学者Chang对此有过详细的 总结。总的来说，点焊数值模拟分析方法的演化大致可以分为以下4个阶段10。有限差分法。有限差分法在早期对碳钢电阻点焊电热分析中应用得非常多。 其优点是计算简单，收敛性好，但是有限差分法无法求解力学问题。因此，焊接 过程中的力效应和热电效应的相互作用无法通过有限差分法来表征和求解。有限单元法。1984年学者Nied首次采用有限单元法来模拟电阻点焊过 程中的预压阶段和通电阶段，他指出忽视预压

8、阶段接触半径的变化是产生后续 误差的根源，并通过计算获得了预压阶段电极和工件(E /W)及工件之间(W /W)的实际接触面积，并以此计算结果来进行热、电耦合分析。与有限差分 法相比，有限单元法充分考虑了电极压力对焊接过程中电极和工件、工件之间接 触状态的作用。但是，Nied的分析方法仍忽视了电极压力对电流密度和接触电 阻的影响。完全耦合的有限元法。1993年，Syed等【意识到焊接阶段由于电极压力 和受热区热膨胀的相互作用，W/W界面的实际接触面积会不断发生变化。因 此，他们提出了一种将电热分析和热力分析反复迭代、完全耦合的“电一热一力” 分析方法。这种完全耦合的算法在理论上是严谨而精确的，它

9、是电阻点焊数值建 模方法的一次重大突破。然而这种分析方法计算量巨大，并有可能产生无法收 敛的数学问题。增量耦合的有限元法。它是Browne于1995年提出的一种更加稳健的算 法，将热力分析得到的接触状态结果以时间步长为增量更新到电热分析中。其中 热力分析采用Ansys软件，电热分析采用内建的有限差分程序。这种算法至今 仍被众多学者所沿用。2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。目前用 于焊接接头微观组织模

10、拟的方法主要有基于概率模型的Monte Carlo(MC)方法、 Cellular Automaton(CA)方 法及相场法102.1 Monte Carlo(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尺寸分布等方的研究。Radhakrishnan和 Zacharia提出了修整MC的方法，把时间引入到模拟当中MJ，于是，这种方法开 始逐步用于焊接接头的微观组织模拟。最初的MC方法，只能在等温下模拟品粒 的成长过程【5】。M 丫等人应用二维MC方法模拟竦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

11、过程中，晶粒正常生长机制占很重要的地位。 JYANG z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品粒 成长情况时发现，热影响区表面的散热要快很多，导致品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。2.2Cellular Automaton(CA)方 法CA法最早是由VonNeumannPUlam/作为一种可能的理想模型而提出的o7l,是 物理体系的一种理想化，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，Wolfram较为详细地给出了元胞自 动的一些数学理论基础，才激发了人们对它的研究。GuillemotWCA模型与有

12、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，模拟品粒在无 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模型模拟了品粒的成长过程。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。3数值模拟在焊接的发展3.1焊接数值模拟技术和理论预测计算机具有非常强大的数学计算和逻辑推理能力，可以模拟各种复杂现象 的再现。通过数值模拟，可以部分代替大量的试验工作，具有很大的优越性和高的 效益。焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程要得到一个 高质量的焊接结构必须要控制这些因素。近20年来，国内外都对焊接预

13、测理论 和数值模拟技术进行了许多研究，取得了不少成果【4】。3.2焊接数值模拟的工业应用丹麦科技大学JOM研究所的Zhang开发了一个新的有限元仿真程序： SORPAS，用于模拟铁和铜的电阻焊过程。该程序可以进行有限元模型的前 处理、自动划分网格和后处理，并图形化显示电流密度和热分布。如今SORPAS 已经发展成为商业化的电阻点焊仿真软件，在BMW， DaimlerChrysler， Ford， Honda， Volkswagen， Volvo等汽车工业，ABB， Siemens等焊接生产线、电气 设备制造中得到了广泛的应用回。图一 Spotsim仿真过程图二Spotsim对温度的仿真结果图三

14、Spotsim对熔核直径的仿真结果4结论焊接数值模拟技术诞生以来，无论是其计算方法、模型建立都已经取得了很 大的发展。同时其应用领域也越来也广泛，并为指导实际生产提供了极大的帮助。 但由于点焊过程的复杂性，目前点焊过程数值模拟仍需进一步完善。主要有以下 几个方面。熔池内流体流动剧烈，导致焊缝组织模拟困难，采用三维模型计算，建模 困难，计算量大，数据处理复杂。只实现了对个别材料的模拟，大部分材料的品 粒生长状况，仍需进一步研究【7】数值模拟中接触电阻的数学模型有待于进一步发展。在对接触状态进行假 设时应结合实际过程，并通过试验对相应的接触电阻的变化规律进行深入研究， 针对不同情况建立更加精确的接

15、触电阻模型；建立点焊过程力、热、电行为耦合分析的三维数值模拟模型。目前点焊过 程数值模拟模型多为二维轴对称模型，尚不能对实际点焊生产中存在的分流及 复杂的接触行为(如上下电极与工件的不对称接触和上、下电极压力不共线时的 接触等)进行模拟；结束语：计算机技术日新月异的发展，制造业在以计算机为基础的先进制造技术带 动下，将有一个很大的变化。焊接数值模拟技术也有了很大的发展，提高到了一个 新的阶段。焊接变形随着焊接线能量的增加而增加，因此应选择大功率高速度的 电子束单道焊接，既能保证焊透，又降低了焊接线能量，从而大大减小焊接变形 【3】已有的数值研究成果已使我们对复杂的焊接力学现象的本质和规律有了进

16、一 步的深入了解，从而为解决和控制这些问题带来了新思路和新方法，并在工程中 有了不少成功的应用实例。计算时间比较表明，自适应网格技术可以减少计算时 间近三分之一。这是必不可少的进一步应用,数值模拟的焊接工艺过程的一部分 【9】。可以相信，随着人们对焊接过程和现象认知的进一步深入以及计算机技术的 高度发展，计算机与数值模拟技术在焊接中应用也必将越来越发展并20年来， 焊接数值模拟技术在温度场、应力场、电场中都得到了应用。物理模拟和测试技 术的配合使用，提高数值模拟的精度和速度，加强焊接数值模拟基础理论及缺陷 形成原理的研究。将成为今后焊接数值模拟技术的重点。随着对焊接过程中各种 现象的进一步深入

17、了解以及计算机技术的快速发展，焊接数值模拟技术及进一步 发展的虚拟制造技术，必将广泛地应用到焊接技术的研究及生产中，从而极大地 促进国民经济建设，推动生产制造的科学化、现代化和自动化进程。参考文献:吴言高，李午申，邹宏军.焊接数值模拟技术发展现状J，2002, (3):1-2汪建华，钟小敏，戚新海.管板接头三维焊接变形的数值模拟J.焊接学报， 1995，(3):2-3魏良武，汪建华，姚舜.液力变矩器焊接的数值模拟和质量控制J.汽车技术，2000，(3):2-3徐艳利.魏艳红.董志波.张玉林.焊接接头组织模拟进展J.2006, (2):3王力群.熊建钢.黄安国.焊接接头微观组织模拟方法研究进展J.2003, (9):2-3李晓辉.汪苏.肖玉平.焊接过程计算机仿真的算法研究J.2005, (12):4徐艳利.魏艳红.董志波.张玉林.焊接接头组织模拟进展J .材料科学与工 艺，2006，(02):3莫秉华.郭钟宁.微电阻焊接技术的研究发展J.中国机械工程,2007,(02):