【導(dǎo)讀】變化規(guī)律，為簡化高速列車鋁合金的有限元數(shù)值模擬分析提供理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)，模擬在焊接力學(xué)分析以及工程中的應(yīng)用。①查閱資料、收集整理資料，明確本論文研究的內(nèi)容和意義；④數(shù)值模擬不同長度焊件的溫度場和應(yīng)力場并分析其變化規(guī)律；⑤模擬鋁合金高速列車側(cè)墻局部的溫度場和應(yīng)力場，分析殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響；⑥外文資料的閱讀及翻譯。參考文獻至少30篇以上，其中英文參考文獻不得少于5篇。[序號]主要責(zé)任者.文獻題名[J].刊名,年,卷(期):起止頁碼.[序號]標準編號,標準名稱[S].焊接過程是涉及電弧產(chǎn)生，復(fù)雜傳。發(fā)，有限元數(shù)值模擬成為研究焊接技術(shù)的重要手段。模擬時，分同時焊接兩條焊縫，焊完一條后馬上焊接第二條，

　　

【正文】 d 中有等向強化模型和隨動強化模型兩種計算模型； 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)變存在微小的時間增量內(nèi)線性變化。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 11 頁 軟件應(yīng)用 SYSWELD 軟件包括了熱冶金分析、力學(xué)分析和氫擴散，可以完全實現(xiàn)機械、熱傳導(dǎo)和金屬冶金的耦合計算，所以其應(yīng)用十分廣泛， 本文基于 SYSWELD 軟件平臺對高速列車 鋁合金的焊接溫度場與應(yīng)力場進行有限元數(shù)值模擬計算，首先 需要對該軟件的各個模塊及功能有一個大致了解，然后熟悉需要使用模塊的操作流程和注意事項 。 SYSWELD 擁有強大的焊前設(shè)置模塊，建立好模型并劃分網(wǎng)格 ，校核好熱源模型，通過 Welding Advisor 設(shè)置相關(guān)參數(shù)，生成焊前 處理文件 .prj，再用 SYSWELD 計算得到焊接溫度場和應(yīng)力場的結(jié)果，利用 Postprocessing 的 Display 模塊得到點的溫度 值和應(yīng)力值。 本章就根據(jù)數(shù)值模擬的流程簡單介紹 SYSWELD 的模型建立和網(wǎng)格劃分，熱源模型校核， Welding Advisor，后處理幾個部分。 模型建立和 網(wǎng)格劃分 對于形狀簡單的零件，可以在 visualmesh 里面直接建立模型，進行網(wǎng)格劃分。對于復(fù)雜的模型 ，需要先在 CAD， Solidworks 或者 Pre_E 等三維建模 軟件中畫出零件的 3 維幾何圖形， 保存為 .igs 或者 .iges 文件 然后導(dǎo)入 visualmesh 軟件進行網(wǎng)格劃分。 Visualmesh 的菜單命令中的 Curve， Surface， Volume， Node 是用來創(chuàng)建幾何體的命令，接下來的 1D， 2D， 3D 是用來創(chuàng)建 1 維， 2 維， 3 維網(wǎng)格的命令 。 1. 簡單焊件 的 網(wǎng)格創(chuàng)建步驟 (1) 建立節(jié)點 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) 開始點，結(jié)束點，開始單元 用于描述熱源軌跡 b) 裝夾點 用于定義 焊接過程中的裝夾條件 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 12 頁 2. 網(wǎng)格劃分注意事項 (1) 模型的網(wǎng)格數(shù)量 網(wǎng)格數(shù)量的多少決定計算時間的長短和計算結(jié)果的精度。一般來說，網(wǎng)格數(shù)量增加，計算精度就會相應(yīng)提高，但同時計算時間也會相對變長。計算時間的長短又和計算機配置有相當(dāng)大的關(guān)系，一般運行如 SYSWELD、 ANSYS 等有限元分析軟件的計算機配置都要求比較高，本論文數(shù)值模擬 計算 所用的計算機配置 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)量太大對計算規(guī)模和計算時間的影響，又要兼顧到網(wǎng)格單元太大對計算精度的影響，我們可以采取不同部位不同網(wǎng)格 大小的方法達到一個較為理想的狀態(tài)，既保證運算時間不致過長，由保證我們所需要的結(jié)果準確性。如圖22 所示，一個平板對接的網(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和應(yīng)力場 的數(shù)據(jù)變化規(guī)律， 所以劃分網(wǎng)格的時候可以將這部分區(qū)域單元格劃分 密集一些 ，從而得到準確的結(jié)果，而不需要過多關(guān)注的位置則無必要劃分太細的網(wǎng)格。 圖 22 疏密有致的網(wǎng)格模型 （ 4）劃分網(wǎng)格 時 需要定義 相應(yīng) 焊接線（ WL） 、 參考線（ RL） 、 開始點（ SN），結(jié)束點（ EN） 、 開始單元 （ SE）、裝夾點等， 描述焊接熱源軌跡和裝夾 點， 為之后設(shè)置焊接向?qū)ё鰷蕚洹? 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 13 頁 熱源調(diào)節(jié) 在實際的焊接過程中，焊接熱源不僅提供熔化金屬的熱 量，而且電弧還對熔池部分具有沖擊攪拌等作用，從而促進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 影響整個構(gòu)件的溫度分布。 焊接模擬分析結(jié)果是否能準確反映實際焊接情況很大一部分取決于在進行焊接模擬過程中的熱源模型的選擇是否合適。 本文中，用于高速列車鋁合金焊接的是 MIG 焊，而 MIG 的熱源模型經(jīng)過科學(xué)家多年 的研究和證實是雙橢球熱源模型，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 板材對接接頭為例說明熱源調(diào)整的過程和注意事項，型號為 5083 的鋁合金是高速列車常用的材料。 熱源模型的建立在 SYSWELD里面使用熱源校核工具界面，界面打開方法如 圖 23所示。 圖 23 Welding Advisor 界面 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 14 頁 熱源校核的實際操作步驟如下： 1. 建立網(wǎng)格 此步驟的目的是建立焊縫周圍的網(wǎng)格模型，對于 T 型焊縫，搭接焊，對接焊 可以直接在 SYSWELD 上選擇 系統(tǒng)自帶的模板文件。本次以 對接 焊縫為例， 操作方法如 圖24 所示，第六步直接選擇 ,點擊 OK，生成如圖 25 所示 界面 。 圖 24 選擇對接接頭步驟 圖 25 網(wǎng)格模型建立界面 如圖 25 所示 ，按順序依次點擊第一個 parameters，得到圖 26，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，保存后再點擊第二個 parameters，得到圖 27， 同樣設(shè)置相關(guān)參數(shù)保存后，點擊第二個 creat mesh，生成一個三維網(wǎng)格模型如圖 28 所示 。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 15 頁 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，如圖 29 所示，點擊焊件專用的材料數(shù)據(jù)庫 ,成功加載之后再按照圖 210 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€部分都加載 SYSWELD 中自帶的 AlMgSi 材料，因為是調(diào)節(jié)熱源參數(shù)， 焊接過 程只模擬加熱過程和熱量傳輸過程， 所以 只涉及到材料的熱物性參數(shù)，和他的機械性能參數(shù)無關(guān)，所以選擇 thermometal_cp 即可。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 16 頁 圖 29 圖 210 3. 加載函數(shù)數(shù)據(jù)庫 函數(shù)數(shù)據(jù)庫是用來存放函數(shù)的，熱源定義好后也是一個函數(shù)，校核完畢后將被存放在我們加載的函數(shù)庫文件中。 操作如圖 211 所示。 圖 211 加載函數(shù)數(shù)據(jù)庫 4. 焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié) 熱源在 Sysweld 中被認為是一個函數(shù)，首先對函數(shù)的參數(shù)給定初始值，然后根據(jù)實際焊接的截面熔池形狀，結(jié)合多 次調(diào)試熱源的經(jīng)驗校核。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 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 17 頁 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 12:10 b) af 雙橢球前半軸長度 6 c) ar 雙橢球后半軸長度 8 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 18 頁 d) b 橫向長度 （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系 (以焊接線開始點為坐標原點，焊接線指向參考線方向為 x0，沿著焊接線方向為 y0，右手定則確定 z0 軸 )中的坐標。 0,0,0 g) ay 熱源進入方向是沿著 z0軸的反方向， ay是熱源進入方向沿著 y0軸旋轉(zhuǎn)的角度，順時針為正。 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(在計算完畢后自動顯示截面溫度云圖 )， 因為是鋁合金的熱源調(diào)節(jié)，所以 Molten temperature(熔點 ) 取值 稍高于鋁合金熔點 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 ， 其余選項默認 。 點擊 OK鍵 進行 初算。 圖 214 Plot 和 Slove 界面 （ 6） 檢查結(jié)果 并保存熱源 計算完畢后，屏幕上會自動顯示截面的溫度場結(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 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 第 19 頁 不是這樣，熔化區(qū)域過寬或者過窄，最高溫度過高或者過低，需要 根據(jù)實際 情況回去調(diào)整 Process 里面的參數(shù) (修改方法：點擊 Process 下面框中的文字，然后修改對應(yīng)的空格，修改后，點擊 Add 下面的 Replace 即可替換掉以前的值 )，修改后繼續(xù)點擊 OK計算，觀察結(jié)果， 直到 焊縫的熔池及熱處理區(qū)與實際情況向符合為止。 得到合適熱源參數(shù)， 保存到函數(shù) 數(shù)據(jù) 庫中，用于后面求解時使用。 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)?Welding 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. 定義項目名稱（ referen）和標題（ Title） 2. 調(diào)用材料數(shù)據(jù)庫，熱源函數(shù)數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)格模型文件 3. 設(shè)置計算模式，供選擇的有二維或者三維，實體或者殼單元，瞬態(tài)或者準穩(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）