【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輸入功率在熔池前、后兩部分的分配系數(shù)。a,b1,b2,c分別為雙橢球熱源分布參數(shù)。這些參數(shù)可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及試驗(yàn)結(jié)果確定。 焊接過(guò)程應(yīng)力場(chǎng)有限元分析理論由于高密度的瞬態(tài)熱輸入，導(dǎo)致焊件溫度不均勻，在焊接過(guò)程中和焊接之后將得到較大的應(yīng)力和變形，SYSWELD中焊接應(yīng)力和變形的計(jì)算都是以溫度場(chǎng)作為基礎(chǔ)。現(xiàn)在，研究焊接應(yīng)力和應(yīng)變的理論很多，如固有應(yīng)變法、固有塑性分析、考慮相變與熱應(yīng)力耦合效應(yīng)、熱彈塑性分析等。其中熱彈塑性分析是在焊接熱循環(huán)過(guò)程中通過(guò)一步步跟蹤熱應(yīng)變行為來(lái)計(jì)算熱應(yīng)力和應(yīng)變的，該方法需要在計(jì)算機(jī)上采用有限元數(shù)值模擬的方法實(shí)現(xiàn)，采用這種方法可以準(zhǔn)確地得到焊接過(guò)程中焊接應(yīng)力和應(yīng)變的變化過(guò)程，隨著現(xiàn)在大型商用有限元模擬軟件的發(fā)展和完善，熱彈塑性分析已經(jīng)被越來(lái)越廣泛地使用。應(yīng)力超過(guò)屈服極限以后應(yīng)力應(yīng)變曲線成非線性，即應(yīng)力應(yīng)變沒(méi)有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，應(yīng)力狀態(tài)不但和應(yīng)變狀態(tài)有關(guān)，而且還依賴整個(gè)應(yīng)變過(guò)程?；谶@一特點(diǎn)，焊接殘余應(yīng)力分析時(shí)期塑性理論應(yīng)為增量理論，增量理論以應(yīng)力和應(yīng)變?cè)隽繛榛A(chǔ)，建立他們之間的本構(gòu)關(guān)系，并通過(guò)累積求得總的應(yīng)變和總的應(yīng)力[28]。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。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。 軟件應(yīng)用SYSWELD軟件包括了熱冶金分析、力學(xué)分析和氫擴(kuò)散，可以完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械、熱傳導(dǎo)和金屬冶金的耦合計(jì)算，所以其應(yīng)用十分廣泛，本文基于SYSWELD軟件平臺(tái)對(duì)高速列車(chē)鋁合金的焊接溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計(jì)算，首先需要對(duì)該軟件的各個(gè)模塊及功能有一個(gè)大致了解，然后熟悉需要使用模塊的操作流程和注意事項(xiàng)。SYSWELD擁有強(qiáng)大的焊前設(shè)置模塊，建立好模型并劃分網(wǎng)格，校核好熱源模型，通過(guò)Welding Advisor設(shè)置相關(guān)參數(shù)，再用SYSWELD計(jì)算得到焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果，利用Postprocessing的Display模塊得到點(diǎn)的溫度值和應(yīng)力值。本章就根據(jù)數(shù)值模擬的流程簡(jiǎn)單介紹SYSWELD的模型建立和網(wǎng)格劃分，熱源模型校核，Welding Advisor，后處理幾個(gè)部分。 模型建立和網(wǎng)格劃分對(duì)于形狀簡(jiǎn)單的零件，可以在visualmesh里面直接建立模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于復(fù)雜的模型，需要先在CAD，Solidworks或者Pre_E等三維建模軟件中畫(huà)出零件的3維幾何圖形。Visualmesh的菜單命令中的Curve，Surface，Volume，Node是用來(lái)創(chuàng)建幾何體的命令，接下來(lái)的1D，2D，3D是用來(lái)創(chuàng)建1維，2維，3維網(wǎng)格的命令。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。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)。計(jì)算時(shí)間的長(zhǎng)短又和計(jì)算機(jī)配置有相當(dāng)大的關(guān)系，一般運(yùn)行如SYSWELD、ANSYS等有限元分析軟件的計(jì)算機(jī)配置都要求比較高，本論文數(shù)值模擬計(jì)算所用的計(jì)算機(jī)配置是八核處理器、24G內(nèi)存，基本能夠滿足一般有限元模擬運(yùn)算。（2） 模型的單元大小模型的單元大小和網(wǎng)格數(shù)量有一定關(guān)系，同樣尺寸的模型，如果網(wǎng)格數(shù)量越大，單元就越小，如果網(wǎng)格數(shù)量越小，單元就越大。（3） 不同部位的單元大小如上所述，既要考慮網(wǎng)格數(shù)量太大對(duì)計(jì)算規(guī)模和計(jì)算時(shí)間的影響，又要兼顧到網(wǎng)格單元太大對(duì)計(jì)算精度的影響，我們可以采取不同部位不同網(wǎng)格大小的方法達(dá)到一個(gè)較為理想的狀態(tài)，既保證運(yùn)算時(shí)間不致過(guò)長(zhǎng)，由保證我們所需要的結(jié)果準(zhǔn)確性。如圖22所示，一個(gè)平板對(duì)接的網(wǎng)格劃分模型如下，我們主要觀察焊縫、熱影響區(qū)和部分母材的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)據(jù)變化規(guī)律，所以劃分網(wǎng)格的時(shí)候可以將這部分區(qū)域單元格劃分密集一些，從而得到準(zhǔn)確的結(jié)果，而不需要過(guò)多關(guān)注的位置則無(wú)必要?jiǎng)澐痔?xì)的網(wǎng)格。圖22 疏密有致的網(wǎng)格模型（4）劃分網(wǎng)格時(shí)需要定義相應(yīng)焊接線（WL）、參考線（RL）、開(kāi)始點(diǎn)（SN），結(jié)束點(diǎn)（EN）、開(kāi)始單元（SE）、裝夾點(diǎn)等，描述焊接熱源軌跡和裝夾點(diǎn)，為之后設(shè)置焊接向?qū)ё鰷?zhǔn)備。 熱源調(diào)節(jié)在實(shí)際的焊接過(guò)程中，焊接熱源不僅提供熔化金屬的熱量，而且電弧還對(duì)熔池部分具有沖擊攪拌等作用，從而促進(jìn)熔池金屬成分均勻化。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。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。本文中，用于高速列車(chē)鋁合金焊接的是MIG焊，而MIG的熱源模型經(jīng)過(guò)科學(xué)家多年的研究和證實(shí)是雙橢球熱源模型，所以本節(jié)就以雙橢球熱源模型焊接兩塊尺寸為250mm*90mm*4mm的5083板材對(duì)接接頭為例說(shuō)明熱源調(diào)整的過(guò)程和注意事項(xiàng)，型號(hào)為5083的鋁合金是高速列車(chē)常用的材料。熱源模型的建立在SYSWELD里面使用熱源校核工具界面，界面打開(kāi)方法如圖23所示。圖23 Welding Advisor界面熱源校核的實(shí)際操作步驟如下：1. 建立網(wǎng)格此步驟的目的是建立焊縫周?chē)木W(wǎng)格模型，對(duì)于T型焊縫，搭接焊，對(duì)接焊可以直接在SYSWELD上選擇系統(tǒng)自帶的模板文件。本次以對(duì)接焊縫為例，操作方法如圖24所示，,點(diǎn)擊OK，生成如圖25所示界面。圖24 選擇對(duì)接接頭步驟圖25 網(wǎng)格模型建立界面如圖25所示，按順序依次點(diǎn)擊第一個(gè)parameters，得到圖26，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，保存后再點(diǎn)擊第二個(gè)parameters，得到圖27，同樣設(shè)置相關(guān)參數(shù)保存后，點(diǎn)擊第二個(gè)creat mesh，生成一個(gè)三維網(wǎng)格模型如圖28所示。圖26 二維模型參數(shù)界面 圖27 三維模型參數(shù)界面圖28 生成三維網(wǎng)格模型2. 加載焊件材料加載焊件材料之前，需要加載材料數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖29所示，,成功加載之后再按照?qǐng)D210所示操作，分別給C1_3D,C2_3D和BEAD加載材料，本例中我們?yōu)槿齻€(gè)部分都加載SYSWELD中自帶的AlMgSi材料，因?yàn)槭钦{(diào)節(jié)熱源參數(shù)，焊接過(guò)程只模擬加熱過(guò)程和熱量傳輸過(guò)程，所以只涉及到材料的熱物性參數(shù)，和他的機(jī)械性能參數(shù)無(wú)關(guān)，所以選擇thermometal_cp即可。 圖29 圖2103. 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。操作如圖211所示。圖211 加載函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)4. 焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)熱源在Sysweld中被認(rèn)為是一個(gè)函數(shù)，首先對(duì)函數(shù)的參數(shù)給定初始值，然后根據(jù)實(shí)際焊接的截面熔池形狀，結(jié)合多次調(diào)試熱源的經(jīng)驗(yàn)校核。在軟件中，熱源函數(shù)給出了三種模型，2維高斯(2D Gaussian)，雙橢球(Double ellipsoid)，3維高斯圓錐(3D conical gassian)，另外大家還可以使用custom自定義熱源模型。一般高能束焊推薦采用3維高斯圓錐模型，普通弧焊采用雙橢球模型。本例采用雙橢球熱源模型，調(diào)節(jié)界面如下圖212所示圖212 Process界面圖213 雙橢球熱源模型首先輸入熱源函數(shù)名(本例中名字SOURC_TTS)模型參數(shù)參照雙橢球熱源模型的形狀如圖213，設(shè)置如下：a) Qf 與Qr (表示單位體積上的輸入能量，單位是watt/mm^3,初始輸入的是比例關(guān)系)建議 12:10b) af 雙橢球前半軸長(zhǎng)度 6c) ar 雙橢球后半軸長(zhǎng)度 8d) b 橫向長(zhǎng)度（融寬一半） 5 e) c 縱向半徑(熔深深度) f) x0，y0，z0 表示熱源中心在由焊接線和參考線確定的局部坐標(biāo)系(以焊接線開(kāi)始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，焊接線指向參考線方向?yàn)閤0，沿著焊接線方向?yàn)閥0，右手定則確定z0軸)中的坐標(biāo)。 0,0,0g) ay熱源進(jìn)入方向是沿著z0軸的反方向，ay是熱源進(jìn)入方向沿著y0軸旋轉(zhuǎn)的角度，順時(shí)針為正。 0 h) Power(Total Efficiency)輸入的有效功率，單位是瓦特。(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。初始值設(shè)置完成。（5） 求解設(shè)置其余參數(shù)，初步求解。如圖214所示Plot子菜單里面，選擇Macrography(在計(jì)算完畢后自動(dòng)顯示截面溫度云圖)，因?yàn)槭卿X合金的熱源調(diào)節(jié)，所以Molten temperature(熔點(diǎn)) 取值稍高于鋁合金熔點(diǎn)為650℃；HAZ temperature(熱影響溫度)取值為550℃；Solve子菜單里面，選擇solve；Curvilinear velocity（熱源移動(dòng)速度）取值為11mm/s；Intial temperature（焊接起始溫度）取值為20mm/s；Phase proportions(初始相)設(shè)置為默認(rèn)，其余選項(xiàng)默認(rèn)。點(diǎn)擊OK鍵進(jìn)行初算。圖214 Plot和Slove界面（6） 檢查結(jié)果并保存熱源計(jì)算完畢后，屏幕上會(huì)自動(dòng)顯示截面的溫度場(chǎng)結(jié)果，焊縫成形如果如圖215所示，最高溫度控制在700℃~800℃，則熱源模型較理想，可以保存。如果焊縫成形不是這樣，熔化區(qū)域過(guò)寬或者過(guò)窄，最高溫度過(guò)高或者過(guò)低，需要根據(jù)實(shí)際情況回去調(diào)整Process里面的參數(shù)(修改方法：點(diǎn)擊Process下面框中的文字，然后修改對(duì)應(yīng)的空格，修改后，點(diǎn)擊Add下面的Replace即可替換掉以前的值)，修改后繼續(xù)點(diǎn)擊OK計(jì)算，觀察結(jié)果，直到焊縫的熔池及熱處理區(qū)與實(shí)際情況向符合為止。得到合適熱源參數(shù)，保存到函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中，用于后面求解時(shí)使用。 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)elding Advisor中設(shè)置相關(guān)參數(shù)，建立焊接模擬工程。其操作界面如圖216所示。其設(shè)置步驟有以下幾步：1. 定義項(xiàng)目名稱(chēng)（referen）和標(biāo)題（Title）2. 調(diào)用材料數(shù)據(jù)庫(kù)，熱源函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)格模型文件3. 設(shè)置計(jì)算模式，供選擇的有二維或者三維，實(shí)體或者殼單元，瞬態(tài)或者準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)等4. 設(shè)置焊件材料性能參數(shù)，其中涉及到焊接構(gòu)件由兩個(gè)不同材料組成，加上焊絲的材料也可能不同于兩種材料，除此之外還要選擇材料的熱物性能參數(shù)和機(jī)械性能參數(shù)。5. 設(shè)置焊接工藝參數(shù)，需要定義焊接線（WL），參考線（RL），焊接起始點(diǎn)（SN），焊接結(jié)束點(diǎn)（EN）和焊接開(kāi)始單元（SE）。6. 設(shè)置焊接裝夾條件7. 求解并保存。圖216 建立工程界面 (溫度場(chǎng)結(jié)果) (應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果)，用戶也可以通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)化結(jié)果 (可以僅為選定的組和時(shí)間步轉(zhuǎn)化， 以減少后處理文件的大小)結(jié)果轉(zhuǎn)化完后，在網(wǎng)格或者高斯點(diǎn)上的結(jié)果可以被插值到單元節(jié)點(diǎn)或者節(jié)點(diǎn)上 。 熱源調(diào)節(jié)的經(jīng)驗(yàn)經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)熱源，本人總結(jié)發(fā)現(xiàn)過(guò)程中熱源模型的Process相關(guān)參數(shù)和速度參數(shù)對(duì)焊縫形狀影響最大，原因是這些參數(shù)決定了熱源對(duì)焊件單位時(shí)間單位體積內(nèi)輸入熱量的大小。1. 焊接速度對(duì)焊縫成形的影響表21里面是生成圖217和圖218焊縫的各個(gè)參數(shù)。如圖217和218所示分別是焊接速度為13mm/s和9mm/s時(shí)的焊縫成形，可以發(fā)現(xiàn)13mm/s焊接速度得到這樣的焊縫是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)輸入焊件熱量偏小，最高溫度為677℃偏低，熔化區(qū)域過(guò)小，焊接時(shí)不能完全焊透；9mm/s焊接速度得到這樣的焊縫是因?yàn)閱挝粫r(shí)間內(nèi)輸入焊件熱量偏大，熔化區(qū)域過(guò)寬，焊接時(shí)熔化的金屬液體可能滲漏，兩個(gè)焊接速度都不可取，如圖215所示，其焊接速度為11mm/s時(shí)得到的焊縫最為合適。表21 焊接速度變化而其他參數(shù)不變化參數(shù)af arBcPower(watt)焊接速度v(mm/s)圖217af=6,ar=85250013圖218af=6,ar=8525009圖215af=6,ar=852500