【正文】 圖 215 較好的焊縫成形 Welding Advisor 建立工程 建立模型劃分網(wǎng)格，并且熱源模型校核之后就在要在焊接模擬向?qū)?Welding Advisor 中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，建立焊接模擬工程。 (電流乘以電壓乘以效率 ) 2500 輸入 上述參數(shù) 后點(diǎn)擊 Add 按鈕。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 16 頁(yè) 圖 29 圖 210 3. 加載函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù) 函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)是用來(lái)存放函數(shù)的，熱源定義好后也是一個(gè)函數(shù)，校核完畢后將被存放在我們加載的函數(shù)庫(kù)文件中。焊接熱源模型決定著熱量輸入和構(gòu)件接受熱源的面積， 將 影響整個(gè)構(gòu)件的溫度分布。 1. 簡(jiǎn)單焊件 的 網(wǎng)格創(chuàng)建步驟 (1) 建立節(jié)點(diǎn) nodes (2) 生成面 surface (3) 網(wǎng)格生成 a) 生成 2D mesh 用于生成 3D 網(wǎng)格 b) 拉伸 3D mesh 用于定義材料賦值及焊接計(jì)算 c) 提取 2D mesh 表面網(wǎng)格 用于定義表面和空氣熱交換 d) 生成 1D 焊接線，參考線 用于描述熱源軌跡 (4) 添加網(wǎng)格組 a) 開(kāi)始點(diǎn)，結(jié)束點(diǎn)，開(kāi)始單元 用于描述熱源軌跡 b) 裝夾點(diǎn) 用于定義 焊接過(guò)程中的裝夾條件 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 12 頁(yè) 2. 網(wǎng)格劃分注意事項(xiàng) (1) 模型的網(wǎng)格數(shù)量 網(wǎng)格數(shù)量的多少?zèng)Q定計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短和計(jì)算結(jié)果的精度。 利用熱彈塑性分析的時(shí)候，考慮到焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)存在材料非線性、幾何非線性等問(wèn)題，為了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要作出以下假設(shè)： 材料的屈服準(zhǔn)則 ：該準(zhǔn)則規(guī)定材料開(kāi)始塑性變形的應(yīng)力狀態(tài)，計(jì)算出一個(gè)當(dāng)值的等效應(yīng)力，并與屈服強(qiáng)度比較以確定材料屈服的時(shí)間，在應(yīng)力應(yīng)變曲線中，低于屈服點(diǎn)的為表現(xiàn)為彈性變形，高于屈服點(diǎn)的表現(xiàn)為塑性變形。, ,f r 分別為總的輸入功率在熔池前、后兩部分的分配系數(shù) 。 2. 邊界條件 邊界條件通常有三種 : ? 第一類邊界條件是 邊界上的溫度值 為已知條件，其溫度恒定或者 隨時(shí)間變化， 即 ： (23) 恒定的 邊界溫度是第一類邊界條件的 特殊 情況 。 焊接過(guò)程溫度場(chǎng)有限元分析理論 焊接過(guò)程中高密度的瞬時(shí)熱輸入，熱源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，熱量的輻射和對(duì)流等物理現(xiàn)象使得其溫度場(chǎng)極為復(fù)雜，焊接加熱過(guò)程又將產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)變，還有焊接過(guò)程中的結(jié)晶，相變都與焊接熱過(guò)程有關(guān)，除此之外，溫度場(chǎng)還對(duì)之后研究焊件的殘余應(yīng)力有很大影響，所以焊件質(zhì)量與溫度場(chǎng)的分布有很大關(guān)系，其數(shù)值模擬對(duì)控制焊件質(zhì)量有重要意義 。 4） 以上述理論依據(jù)簡(jiǎn)化高速列車鋁合金車體的側(cè)墻，建立模型并劃分網(wǎng)格， 考慮 實(shí)際生產(chǎn)時(shí) 復(fù)雜邊界條件等其他不確定因素， 分同時(shí)焊接兩條焊縫，焊完一條后馬上焊接第二條，焊完一條冷卻一段時(shí)間后再焊第二條這三種情況進(jìn)行 模擬 計(jì)算，得到溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)， 分析溫度場(chǎng)和線能量對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影 響，為之后研究和生產(chǎn)鋁合金高速列車提供建設(shè)性建議。 隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和有限元數(shù)值模擬商業(yè)軟件的推出，根據(jù)實(shí)際焊接方法和工藝參數(shù)對(duì)不同結(jié)構(gòu)焊件進(jìn)行焊接，取得了很多研究成果。 1973 年，日本的上田幸雄 利用 有限元理論研究了焊接過(guò)程的熱彈塑性變化，編寫(xiě)了 可以 分析平面應(yīng)力狀態(tài) 的焊接應(yīng)力應(yīng)變 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁(yè) 計(jì)算程序 [16]。 2. 對(duì)構(gòu)件靜強(qiáng)度的影響 ：當(dāng)結(jié)構(gòu)件的是工作在低溫環(huán)境或者結(jié)構(gòu)中的焊接殘余應(yīng)力是屬于三向受拉狀態(tài)時(shí)，即使材料具有足夠的塑性，焊接殘余應(yīng)力 仍 會(huì)降低結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度 3. 對(duì)構(gòu)件疲勞強(qiáng)度的影響 ： 受 交變載荷的構(gòu)件中存在殘余壓應(yīng)力時(shí)，結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度會(huì)提高，存在殘余拉應(yīng)力的話，則結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度就降低 [21]。近幾年，類似于 ANSYS的 有限元數(shù)模擬商業(yè)軟件 SYSWELD 的出現(xiàn)進(jìn)一步推動(dòng)了有限元數(shù)值模擬的發(fā)展。 如今 有限元法在數(shù)值模擬中得到廣泛應(yīng)用，其提出時(shí)間可以追溯到 1943 年，由 Courant 提出，并應(yīng)用于 固體 力學(xué) 中，與差分法相比，有限元 數(shù)值模擬 法可以用任意形狀的網(wǎng)格單元以及 根據(jù) 研究 需要 疏密有致地 設(shè)置單元大小 ，所以 在數(shù)值模擬得到了很廣泛的應(yīng)用 。 焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬的國(guó)內(nèi)外歷史及發(fā)展現(xiàn)狀 焊接過(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，涉及電弧產(chǎn)生，熱量傳導(dǎo)，金屬熔化，組織相變和焊接應(yīng)力和變形等眾多物理現(xiàn)象，電弧產(chǎn)生和焊接設(shè)備的電流，電壓，熱效率等有關(guān)，熱量傳導(dǎo)和焊件材料的熱物性參數(shù)和邊界條件等有關(guān)系，焊件應(yīng)力和變形和焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)分布，約束條 件，載荷條件 等有關(guān)系。 以前，對(duì)焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析都是通過(guò) 實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得有關(guān)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)據(jù)再進(jìn)行分析，因?yàn)橥饨绾芏嗖淮_定因素的影響，例如測(cè)量數(shù)據(jù)誤差，工件不規(guī)則或者工件存在內(nèi)部應(yīng)力，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不是十分精確，并且還浪費(fèi)大量人力，物力，財(cái)力和時(shí)間，所以實(shí)驗(yàn)方法 測(cè)量溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)一定程度上受到一定限制，不能得到廣泛推廣，在計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展和大型數(shù)值模擬商業(yè)軟件 不斷完善 的今天，采用數(shù)值模擬的方法可以很好解決這個(gè)問(wèn)題。 After simulation，we got temperature and stress fields, and find that the third condition is better than the first and the second condition. We still find that the first condition got a higher temperature and stress. So we suggest that the enterprise consider the results of the study in the manufacturing. Keywords: Finite element。要求格式如下： (1)專著 [M]、論文集 [C]、學(xué)位論文 [D]、報(bào)告 [R] [序號(hào) ] 主要責(zé)任者 .文獻(xiàn)題名 [文獻(xiàn)類型標(biāo)識(shí) ].出版地 :出版者 ,出版年 .起止頁(yè)碼 (任選 ). (2)期刊文章 [序號(hào) ] 主要責(zé)任者 .文獻(xiàn)題名 [J].刊名 ,年 ,卷 (期 ):起止頁(yè)碼 . (3)報(bào)紙文章 [序號(hào) ] 主要責(zé)任者 .文獻(xiàn)題名 [N].報(bào)紙名 ,出版日期 (版次 ). (4)國(guó)際、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) [序號(hào) ] 標(biāo)準(zhǔn)編號(hào) ,標(biāo)準(zhǔn)名稱 [S]. (5)電子文獻(xiàn) [序號(hào) ] 主要責(zé)任者 .電子文獻(xiàn)題名 [電子文獻(xiàn)及載體類型標(biāo)識(shí) (數(shù)據(jù)庫(kù) [DB]，計(jì)算機(jī)程序 [CP]，電子公告 [EB])].電子文獻(xiàn)的出處或可獲得地址 ,發(fā)表或更新日期 /引用日期 (任選 ). 指導(dǎo)教師： 年 月 日 審 批 人： 年 月 日 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 IV 頁(yè) 摘 要 摘要： 隨著中國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，鋁合金具備的良好塑性，易成型，輕量化，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)使得鋁合金在高速列車 制造中的使用越來(lái)越多，焊接 技術(shù)作為一種很重要的成型技術(shù)廣泛地運(yùn)用于鋁合金高速列車的制造中。 焊接過(guò)程是涉及電弧產(chǎn)生，復(fù)雜傳熱，金屬相變，焊接變形和焊接應(yīng)力等復(fù)雜現(xiàn)象的一個(gè)過(guò)程，焊接 時(shí)的高密度的瞬時(shí)熱輸入，局部加熱，熱源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得所焊工件受熱不均勻，產(chǎn)生很大的應(yīng)力和變形，對(duì)工件的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不好的影響，所以 分析 焊接過(guò)程中的復(fù)雜溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)對(duì)分析焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量有決定性意義，隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展和相關(guān)商業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)，有限元數(shù)值模擬成為研究焊接技術(shù)的重要手段。Numerical simulation。 數(shù)值模擬方法有很多種，如有限元法，數(shù)值積分法，蒙特卡洛法 ，差分法等，尤其是有限元法已經(jīng)很廣泛地運(yùn)用于焊接熱傳導(dǎo)，焊接應(yīng)力和焊接變形 分析中。如果用實(shí)驗(yàn)的方法去測(cè)量溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，必須 考慮測(cè)量誤差的存在，并且還會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間，大量的人力，物力和財(cái)力，經(jīng)濟(jì)效益不好。 1966 年， Wilson 和 Nickell 首先將利用 有限元 數(shù)值法模擬 固態(tài)熱傳導(dǎo) 過(guò)程，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 [3]。北京交通大學(xué)，重慶大學(xué)，合肥工業(yè)大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的教授和學(xué)生基于 SYSWELD利用 有限元理論對(duì)不同結(jié)構(gòu)焊件，不同焊接方法進(jìn)行了溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬， 均驗(yàn)證了SYSWELD 的準(zhǔn)確性和可行性 。焊接殘余應(yīng)力對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響往往和結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)材料的性能、殘余應(yīng)力的大小和分布、外載的作用狀態(tài)等因素相關(guān) 。 同時(shí) ， 在 美國(guó)的 Iwaki 也基于有限元分析理論編寫(xiě)了 可以 模擬 板上堆焊時(shí)焊接熱應(yīng)力 的 分析程序。 華中科技大學(xué)的梁曉燕本基于 ANSYS 平臺(tái)，對(duì)中厚板對(duì)接多道焊的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分布進(jìn)行了 數(shù)值模擬計(jì)算，得到了典型 時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布、殘余應(yīng)力 分布 以及 其 最終的變形情況， 并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 [22]。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁(yè) 第 2 章 有 限元 數(shù)值 理論基礎(chǔ)和軟件應(yīng)用 有限元分析理論基礎(chǔ) 有限元理論 有限元法（ Finite Element Method， FEM），是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展和有限元分析軟件的大量出現(xiàn)而出現(xiàn)的一種使用廣泛的離散數(shù)值計(jì)算方法，現(xiàn)在焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)已經(jīng)大量使用有限元法進(jìn)行數(shù)值模擬。 在作溫度場(chǎng)的有限元分析的時(shí)候，原則上可以進(jìn)行任何條件的模擬，但是從實(shí)際 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁(yè) 和經(jīng)濟(jì)的角度考慮，需要對(duì)焊件和熱源進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，這是非常有必要的，簡(jiǎn)化的時(shí)候以下幾點(diǎn)可作為參考： 1) 簡(jiǎn)化焊件尺寸，這樣建模和網(wǎng)格 劃分的時(shí)候都會(huì)比較簡(jiǎn)單，將劃分的單元視為均勻的，連續(xù)的，同質(zhì) 的。 ? 第二類邊界條件是 邊界上的熱流密度分布 已知 ，即： （ 24） 邊界上 沒(méi)有 熱量傳輸 是第二類邊界條件的特殊情況， 絕熱表面 上 任意點(diǎn)的比熱流量以及沿表面法線方向的溫度梯度均為零。a, 分別為雙橢球熱源分布參 數(shù) 。在金屬材料的有限元分析中，一般采用米賽斯（ von mises） 屈 服準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則從能量的角度設(shè)定金屬塑性變形的臨界條件； 塑性區(qū)內(nèi)的塑性流動(dòng)準(zhǔn)則 ：當(dāng)材料應(yīng)力值高于屈服極限時(shí)，材料發(fā)生塑 性變形，塑性變形的流動(dòng)方向就需要使用流動(dòng)準(zhǔn)則來(lái)確定 ,一般使用米賽斯（ von mises）流動(dòng)準(zhǔn)則； 強(qiáng)化準(zhǔn)則：該準(zhǔn)則描述了初始屈服時(shí)材料變形隨著塑性應(yīng)變的發(fā)展規(guī)律，在Sysweld 中有等向強(qiáng)化模型和隨動(dòng)強(qiáng)化模型兩種計(jì)算模型； 彈性應(yīng)變 、 塑性應(yīng)變與溫度變化是密不可分的； 與溫度有關(guān)的力學(xué)性能、應(yīng)力應(yīng)變存在微小的時(shí)間增量?jī)?nèi)線性變化。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)格數(shù)量增加，計(jì)算精度就會(huì)相應(yīng)提高，但同時(shí)計(jì)算時(shí)間也會(huì)相對(duì)變長(zhǎng)。 焊接模擬分析結(jié)果是否能準(zhǔn)確反映實(shí)際焊接情況很大一部分取決于在進(jìn)行焊接模擬過(guò)程中的熱源模型的選擇是否合適。 操作如圖 211