【文章內(nèi)容簡介】 ， 誤差很大 ， 而這里又恰恰是研究者最為關(guān)心的部位。 Adames、木原博和稻埂道夫 [9]等人根據(jù)熱傳導(dǎo)微分方程 ， 以大量的實驗為基礎(chǔ) ， 積累了不同材料、不同厚度、不同焊接線能量以及不同預(yù)熱溫度等測量數(shù)據(jù) ， 然后從傳熱理論的有關(guān)規(guī)律出發(fā) ， 經(jīng)過整理、歸納和驗證 ， 最后建立了不同情況下的焊接傳熱公式。這種方法比前者采用數(shù)學(xué)解析法要準(zhǔn)確 ， 但實驗的工作量很大 ， 有確定的應(yīng)用條件和范圍 ， 且可靠性取決于測試手段的精度。 1961 年 ， Tall 等人首先利用計算機(jī)對焊接熱應(yīng)力進(jìn)行計算 ， 編制了一套沿板條中線進(jìn)行堆焊的熱應(yīng)力一維分析程序。 1971 年 ， Iwaki 編制了可用于分析板平面堆焊熱應(yīng)力的二維有限元程序 [10]， 后來 Muraki 對它做了重大改進(jìn) [11]， 擴(kuò)大沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 了這個二維程序的功能 ， 使之可用于對接焊和平板堆焊過程的熱應(yīng)力分析。 1966年 wilson和 Nicken首次把有限元法 用于固體熱傳導(dǎo)的分析計算中 [12]。 70 年代 ，有限元法才逐漸在焊接溫度場的分析計算中使用。 另外 ， 在 70 年代初 ， 日本 Unda Y 等在熱彈性有限元的基礎(chǔ)上提出了固有應(yīng)變法 [13]。 Masubuchi K 等也是該領(lǐng)域的早期研究者之一 [14]， 70 年代就將數(shù)值分析方法引入到焊接領(lǐng)域 ， 對焊縫和母材金屬的運動規(guī)律進(jìn)行了研究 ， 并取得了許多富有積極意義的成果 ， 推動了數(shù)值模擬在焊接領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用。 1975 年，加拿大的 Poley和 Hibbert 在發(fā)表的文章中 [15]， 介紹了利用有限元法研究焊接溫度場的工作 ， 編制了可以分析 非矩形截面以及常見的單層、雙層 U、V型坡口的焊接溫度場計算程序 ， 證實了有限元法研究焊接溫度場的可行性。之后國內(nèi)外眾多學(xué)者進(jìn)行了這方面的研究工作。 Krmz 在 1976 年的博士論文中專門研究了利用焊接溫度場預(yù)測接頭強(qiáng)度問題 [16]， 其中分析了非線性溫度場 ， 在二維分析模型中 ， 假定電弧運動速度比材料熱擴(kuò)散率高 ， 因此傳到電弧前面的熱量輸出量相對比較小 ， 從而忽略了在電弧運動方向的傳熱 ， 這實際上與 Rykalin高速移動熱源公式的處理方法是一致的 [17]。 Teng T L等采用彈塑性有限元法研究了焊接條件（試件長度、板厚、焊 接速度、拘束等）對焊接接頭中焊接應(yīng)力的影響以及薄壁管接頭采用環(huán)形單道焊接時壁厚對焊接殘余應(yīng)力的影響 ， 同時還研究了不同補(bǔ)焊尺寸條件下環(huán)形焊接接頭中焊接應(yīng)力的分布 ， 為減小和控制焊接應(yīng)力提供了數(shù)值依據(jù) ， 但在分析中采用單元尺寸較大 ， 因而模型的精度仍需進(jìn)一步提高。 Taljat B 等分析了 HY100 高強(qiáng)鋼園盤結(jié)構(gòu) GTA 點焊時 ， 冷卻凝固時相變對焊接殘余應(yīng)力的影響 ， 為防止圓盤發(fā)生破壞提供了分析數(shù)據(jù)。Bachorski A 等利用收縮體積方法對 T 型接頭的焊接變形進(jìn)行了有限元分析，主要獲得影響變形大小的因素 ， 提出控制變形的措施 ， 但對變形的產(chǎn)生、發(fā)展沒有進(jìn)行研究 [18]。 模擬研究的意義 焊接作為現(xiàn)代制造業(yè)必不可少的工藝 ， 在材料加工領(lǐng)域一直占有重要地位。焊接是一個涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程 ， 焊接現(xiàn)象包括焊接時的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變、焊接應(yīng)力和變形等。焊接過程產(chǎn)生的焊接應(yīng)力和變形 ， 不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過程 ， 而且還沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 影響焊接結(jié)構(gòu)的使用性能。這些缺陷的產(chǎn)生主要是焊接時不合理的熱過程引起的。由于高集中的瞬時熱輸入 ， 在焊接過程中和焊后將產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力 (焊接殘余應(yīng)力 )和變形 (焊接殘余變形 、焊接收縮、焊接翹曲 )， 而且焊接過程中產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力影響構(gòu)件的變形和焊接缺陷 ， 而且在一定程度還影響結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸的穩(wěn)定性 [19]。因此 ， 在設(shè)計和施工時必須充分考慮焊接應(yīng)力和變形的特點。焊接應(yīng)力和變形是影響焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要問題之一 ， 焊接變形的存在不僅影響焊接結(jié)構(gòu)的制造過程 ， 而且還影響焊接結(jié)構(gòu)的使用性能。因此對焊接溫度場和應(yīng)力場的定量分析、預(yù)測、模擬具有重要意義。 隨著數(shù)值分析、計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的迅速發(fā)展 ， 數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)逐步滲透到焊接工程問題的研究中。傳統(tǒng)的焊接溫度場和應(yīng)力預(yù) 鋇依賴于試驗和統(tǒng)計基礎(chǔ)上的經(jīng)驗曲線或經(jīng)驗公式。但僅從實驗角度研究焊接熱應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力和變形問題難度很大 ， 無前瞻性 ， 不能全面預(yù)測和分析焊接對整個結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性影響 ， 客觀評價焊接質(zhì)量。在研究焊接生產(chǎn)技術(shù)時 ， 往往采用試驗手段作為基本方法 ， 但大量的試驗增加了生產(chǎn)成本 ， 耗費人力物力 ， 尤其在軍工、航天、潛艇、核反應(yīng)堆等大型重要焊接結(jié)構(gòu)制造過程中 ， 任何嘗試和失敗都將造成重大經(jīng)濟(jì)損失 ， 而數(shù)值模擬將發(fā)揮其獨特的能力和優(yōu)勢。隨著有限元技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 為數(shù)值模擬技術(shù)提供了有力的工具 ， 很多焊接過程可以采用計算機(jī)數(shù)值 模擬 [20]。隨著差分法、有限元法的不斷完善 ， 焊接熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力模擬分析技術(shù)相應(yīng)的發(fā)展起來。焊接牽涉到電弧物理、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變、焊接應(yīng)力與變形等等。如果各種焊接現(xiàn)象能夠?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)模擬 ， 我們就可以通過計算機(jī)系統(tǒng)來確定焊接各種結(jié)構(gòu)和材料時的最佳設(shè)計、最佳工藝方法和最佳焊接參數(shù)。計算機(jī)數(shù)值模擬使我們對焊接過程的認(rèn)識從技藝向科學(xué)化方向發(fā)展 ， 使我們對焊接工藝的研究從 “定性 ”走向 “定量 ”、從 “經(jīng)驗 ”走向 “科學(xué) ”。 由于焊接過程的復(fù)雜性及影響因素較多 ， 目前對于復(fù) 雜和大型焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形的預(yù)測還存在許多困難 ， 主要表現(xiàn)為數(shù)值模擬過程中結(jié)構(gòu)的自由度規(guī)模龐大 。瞬態(tài)分析時間步繁多 ； 材料性能的嚴(yán)重非線性變化影響了求解過程的沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 精度和效率 。結(jié)構(gòu)中的局部高溫區(qū)的存在導(dǎo)致有限元方程組性態(tài)變差 ； 熔池及其附近高溫區(qū)導(dǎo)致其精確數(shù)學(xué)物理模型的建立困難 ； 移動熱源導(dǎo)致過程非線性 ；坡口、填充金屬、多道焊等引起的復(fù)雜幾何形狀 ， 在精確的數(shù)值模擬過程中會增加計算工作量。目前制造業(yè)數(shù)值模擬及仿真分析的發(fā)展趨勢是建立盡可能精確的模型 ， 獲得精確的結(jié)果 ， 進(jìn)而全面科學(xué)地分析過程的本質(zhì)。焊接應(yīng)力與變形數(shù)值模擬同樣 面臨相同的問題 ， 其發(fā)展趨勢也應(yīng)是在建立精確模型的基礎(chǔ)上 ，獲得焊接應(yīng)力與變形的物理本質(zhì)及其分布規(guī)律 ， 從而為工程預(yù)測和控制提供堅實技術(shù)基礎(chǔ)。欲將熱彈塑性焊接應(yīng)力與變形數(shù)值模擬技術(shù)全面運用于實際生產(chǎn)并用來指導(dǎo)工藝設(shè)計、制訂和優(yōu)化加工工藝還有許多問題需要解決。而且國內(nèi)外在焊接應(yīng)力與變形數(shù)值模擬方面的研究工作主要集中于采用簡化模型 ， 將瞬態(tài)熱彈塑性問題轉(zhuǎn)化為靜態(tài)彈性問題 ， 以及針對求解問題自由度規(guī)模比較小的焊接接頭或簡單結(jié)構(gòu) ， 在大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)、自由度規(guī)模比較大的焊接應(yīng)力和變形方面的研究工作還比較少。隨著計算機(jī)硬件環(huán)境的 不斷提高和軟件技術(shù)的改進(jìn) ， 大規(guī)模問題的焊接應(yīng)力和變形數(shù)值模擬可望成為現(xiàn)實。但就目前硬件和軟件條件而言 ， 仍有許多問題亟待解決 。 目前在焊接數(shù)值模擬中還存在幾個主要的問題： (1)材料的熱物理性數(shù)據(jù)不足 ： 許多材料的熱物理性質(zhì)（比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、密度等）數(shù)據(jù)在高溫特別是在接近熔化態(tài)時還是空白 ， 某些材料僅有室溫數(shù)據(jù) ，這就給非線性計算帶來了困難。 (2)熱源分布參數(shù)的確定 ： 電弧的有效加熱半徑及熱量分布形式與焊接方法和參數(shù)有關(guān) ， 目前也缺乏系統(tǒng)而準(zhǔn)確的資料。電弧熱流通常采用高斯分布的形式 ， 則提出了一個雙橢 球的模型。此外 ， 對于角焊縫、坡口焊縫、多層焊縫等的熱源分布形式也須要進(jìn)一步研究 [21]。 (3)焊接熱源的熱效率的選取 ： 焊接熱源熱效率的選取也是提高計算精度的問題之一。目前這方面的資料比較分散 ， 出入較大 ， 必須根據(jù)實際焊接情況慎重選擇。 (4)焊接熔池的處理 ： 焊接熱傳導(dǎo)分析一般基于固體導(dǎo)熱微分方程式 ， 沒有考慮焊接熔池內(nèi)部液態(tài)金屬的對流傳熱特點。通常這種方法對于焊接冶金分析以及焊接力學(xué)行為的分析已經(jīng)有足夠的精度。但如果需要精確地研究熔池的形狀和尺寸以及內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程 ， 那么必須進(jìn)行焊接熔池中流體力學(xué)狀態(tài)的分沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 析 [21]。 近 10 年來 ， 焊接數(shù)值模擬技術(shù)不斷向深度、廣度發(fā)展 ， 研究工作已普遍由建立在溫度場、電場、應(yīng)力應(yīng)變場基礎(chǔ)上的旨在預(yù)測宏觀尺度的模擬進(jìn)入到以預(yù)測組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度及微觀尺度的模擬階段 ； 由單一的溫度場、電場、流場、應(yīng)力應(yīng)變場、組織模擬進(jìn)入到耦合集成階段 ； 由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大的專用特性問題 ， 包括解決特種焊接模擬及工藝優(yōu)化問題 ，解決焊接缺陷消除等問題 ； 由孤立研究轉(zhuǎn)向與生產(chǎn)系統(tǒng)及其它技術(shù)環(huán)節(jié)實現(xiàn)集成 ， 成為先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要組成部分。經(jīng)過多年研究 ， 中國已經(jīng)形成了一批較成熟的準(zhǔn)商品化的軟件 ， 但與發(fā)達(dá)國家相比 ， 有較大差距。應(yīng)盡量以國外成熟商業(yè)軟件為基礎(chǔ) ， 將改進(jìn)提高與普及應(yīng)用相結(jié)合 ， 加快數(shù)值模擬軟件開發(fā)。要在工廠及科研單位普及這項技術(shù) ， 使之成為優(yōu)化工藝設(shè)計、科技攻關(guān)、技術(shù)創(chuàng)新的重要手段 。要重視與物理模擬和測試技術(shù)的配合使用 ， 提高數(shù)值模擬的精度和速度 。要加強(qiáng)焊接數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論及缺陷形成原理的研究 ； 要多渠道集資 ，支持?jǐn)?shù)值模擬研究工作 ； 另外 ， 中國目前的研究工作 ， 有一些已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平 ， 如焊接凝固裂紋精確評價技術(shù)及開裂判據(jù)、焊接氫致裂紋精確評價技術(shù)及開裂判據(jù)、金屬凝固相區(qū) 熱應(yīng)力本構(gòu)方程及模擬仿真、固態(tài)相變條件下彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場分量的理論分析及模擬等 [22]。應(yīng)瞄準(zhǔn)目標(biāo) ， 集中優(yōu)勢力量 ，爭取做出更大的成績。 隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展 ， 20世紀(jì)末提出了計算機(jī)模擬的手段 ， 為熱加工包括焊接技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了有力的條件。焊接過程數(shù)值模擬可包括以下幾個方面： (1)焊接熱過程； (2)焊縫金屬凝固和焊接接頭相變過程； (3)焊接應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)展過程； (4)非均質(zhì)焊接接頭的力學(xué)行為； (5)焊接熔池液體流動及形狀尺寸； (6)重大結(jié)構(gòu)及其部件的應(yīng)力分析 ； 利用這種方法可以展望 21世紀(jì)熱加工的研究模 式將轉(zhuǎn)變?yōu)?“理論一計算機(jī)模擬一生產(chǎn) ”， 從而大大提高焊接和材料熱加工的科學(xué)水平 ， 節(jié)約用于實驗研究的沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 人力、財力 。 到 2020年 ， 計算機(jī)分析、數(shù)值模擬、自動化制造 ， 將在焊接中廣泛運用 ，焊接將徹底轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T科學(xué)。在焊接技術(shù)由經(jīng)驗向科學(xué)的轉(zhuǎn)變過程中 ， 焊接工藝過程控制、材料的低功耗、純凈化和智能化以及焊接設(shè)備參數(shù)復(fù)雜控制知識模型的建立是核心任務(wù) [23]。隨著對焊接過程中各種現(xiàn)象的進(jìn)一步深入了解以及計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展 ， 焊接數(shù)值模擬技術(shù)及進(jìn)一步發(fā)展的虛擬制造技術(shù)必將廣泛的應(yīng)用到焊接技術(shù)的研究及生產(chǎn)中 ， 極大促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè) ， 推動生產(chǎn)制造的科學(xué)化、現(xiàn)代化、自動化進(jìn)程。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第 2章 ANSYS焊核尺寸模擬溫度場 有限元法 (Finite Element Method， FEM)， 也稱為有限單元法或有限元素法，基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。它是隨著電子計算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法。 隨著焊接溫度場的深入研究 ， 有限元技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用 ， 以及計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 目前在進(jìn)行有限元分析時所用的軟件方面己經(jīng)有了不少優(yōu)秀的計算分析軟件 ， 如 ： ANSYS、 SYSWELDLD、 ABAQUS、 ADNIA、 NASTRAN、MAEC 等可供焊接工作者選用。這些大型有限元分析軟件都具有自動劃分網(wǎng)格和自動整理計算結(jié)果 ， 并形成可視化圖形的前后處理功能。因此 ， 焊接工作者己經(jīng)無需自己編制分析軟件 ， 可以利用上述商品化軟件 ， 必要時加上二次開發(fā) ，即可得到需要的結(jié)果 ， 實現(xiàn)焊接溫度場虛擬分析 [24]。 本文我采用 ANSYS 進(jìn)行溫度場模擬。 采用空間和時間有限元 (包括有限差分法 )模擬焊接時材料和構(gòu)件的熱和力(彈性一粘塑性 )行為 ， 焊接過程的有限元分析有下述特點 ： (l)模型是三維的 ， 至少在焊接區(qū)域如此 ， 以反映內(nèi)部和表面的不同冷卻條件 ； (2)由于快速加熱和冷卻 ， 模擬的過程時高溫瞬態(tài)的 ， 具有與位移和時間相關(guān)的極不相同的梯度場 ； (3)由于材料的熱一力行為 ， 模型的過程是高度非線性的 ， 并與溫度密切相關(guān) ； (4)局部材料的瞬態(tài)行為 ， 取決于局部加熱的歷史和力學(xué)的應(yīng)力應(yīng)變歷史 ； (5)焊接材料熔敷以及凝固后改變構(gòu)件的連接狀況 ； (6)模擬材料的狀態(tài)及顯微組織變化 ； (7)陸界情況下可能發(fā)生的缺陷和裂紋 ， 使連續(xù)介質(zhì)的概念受到懷疑 [25]。 雖然 ， 今天有功能強(qiáng)大的計算機(jī)可以利用 ， 但計算方法和軟件的發(fā) 展還是跟不上硬件進(jìn)步的速度 ， 而且即使有可能采用的計算手段 ， 目前在收斂檢驗和誤差估計方面也將遇到難以超越的困難。 ANSYS 通常所說的 ANSYS 是