数值模拟

随着焊接温度场、应力场和变形的深入研究，有限元技术的发展与应用，以及近年来由于计算机技术的突飞猛进，目前在进行有限元分析时所用的软件方面已经有了不少优秀的计算分析软件，如:ANSYS,ABAQUS,ADINA,NASTRAN,MARC,SYSWBLD等可供焊接工作者选用[31。我国目前尚不具各开发大型通用有限元软件的条件，没有自主版权的商品化有限元软件，所以我国的有限元发展途径主要是使用、扩充和改进从国外引进的某些有限元软件。这些现有的有限元软件具有自动划分有限元网格和自动整理计算结果，并使之形成可视化图形的前后处理功能。因而，焊接工作者己经无需自己从头编制分析软件，可以利用上述商品化软件，必要时加上二次开发，即可以得到需要的结果，这就明显地加速了焊接模拟技术发展的进程。在国内还很少利用通用有限元软件分析焊接结构应力场的例子。中科院的颜抬霞[231等利用 ANSYS对球壳焊接瞬态温度场、应力场进行模拟取得较好的结果。清华大学的鹿安理等利用 MARC软件，开发专用用户子程序，使网格自适应技术更趋完善，并用于厚板焊接过程的三维数值模拟，取得了很好的效果，并在模型上利用相似原理及简化热源模型等技术问题进行探讨，提出未来焊接数值模拟应重点研究的几个问题。清华大学的蔡志鹏等人，利用 MARC软件，简化热源模型，用串热源模型代替高斯热源进行焊接应力和变形的分析，但其实际分析例子只是进行切割变形分析，其方法的有效性还须进一步验证[241[251[26][271

SYSWELD2．1SYSWELD的特点

SYSWELD的开发最初源于核工业领域的焊接工艺模拟，当时核丁业需要揭示焊接工艺中的复杂物理现象，以便提前预测裂纹等重大危险。随着应用的发展，SYSWELD逐渐扩大了其应用范围，并迅速被汽车工业、航空航天、国防和重型工业所采用。

SYSWEI。D完伞实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算，允许考虑晶相转变及同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响。在具体计算中分两步进行。首先实现温度和晶相组织的计算，然后进行机械力的计算。在机械力计算中，已经充分考虑了第一步计算的结果，如残余应力和应变的影响。

SYSWELD的电磁模型允许模拟点焊和感应加热，并可实现能量损失和热源加载的计算模拟。SYSWELD扩散与析出模型可实现渗碳、渗氮、碳氮共渗模拟，先计算化学元素的扩散和沉积，然后再考虑对热和机械性能的影响。SYS肌IJ)的氢扩散模型能计算模拟氢的浓度，预测冷裂纹的严重危害旧。 2．2 SYSWELD的应用

焊接残余应力是焊接过程中影响构件强度和寿命的主要囚素之一，通过计算机仿真分析可准确分析焊接时温度场、应力场的变化规律，焊接时构件的变形情况[Io-11J。利用SYSWELD对某零件进行激光焊接仿真分析可得出一些结果云图，由这些云图能够判断构件在焊接过程中瞬态温度场的变化情况、构件中的应力以及焊接完成后残余应力的分布情况。最重要的是利用SYSWELD软件能够方便准确地分析焊接过程中材料金相组织的转化情况，为激光动态焊接过程数值仿真提供理论基础。 在焊接中，热膨胀与收缩伴随着金相转变而发生，从而导致焊接过程和焊后焊件的结构变形。在SYSWELD中这些囚素都可以进行模拟；焊接过程的热效应引发热应力(结构膨胀与收缩)，同样可以利用SYSWELD进行评估；通过SYSWELD，可以对焊接的内应力和金相结构进行预测，并将这些结果直接应用于产品寿命计算与分析。在许多工业上，经常将等厚或不等厚的材料焊接在一起后进行冲压，这些材料可以相同也可以不同。采用SYSWELD把焊接模拟的内应力和冶金特性作为初始条件加载到冲压模拟软件中，如PAM—STAMP就是专业的冲压模拟软件。

焊接数值模拟软件的发展

,-焊接数值模拟的意义在于!根据对焊接现象和过程的数值模拟!可以优化结构设计和工艺设计!从而减少试验工作量!提高焊接质量\"

焊接工作者非常希望能够利用基础理论对焊接过程中的物理或化学现象的本质进行分析!进而通过模拟和计算得到定量的结果!最终达到在焊接过程中使接头不出现缺陷! 而且能够满足规定性能的目的\" 但是!焊接过程的模拟十分复杂!例如! 对弧焊过程全面模拟就要求能够模拟焊接时的热过程#熔滴过渡时的物理化学过程#熔池行为#焊缝凝固过程#热裂纹的形成#焊缝金属固态相变#晶粒长大和偏析#焊缝和热影响区的显微组织#焊缝中的氢扩散#冷裂纹的形成#焊接残余应力和变形等\"

几十年来科学家和焊接专家针对这些问题已经建立了许多数学模型!在现代计算机硬软件高度发展条件下已经能够通过有限元法\"有限差分法等方法对这些数学模型做到定量求解#在有限元计算方面! 现在已经有商业化的大型通用有限元工具软件 !()*+(!\等!还 有 专 门 用 于 分 析 焊 接 现 象 的 软 件!如)1)2345 $ 法 % &63(+*) $ 日 % 以 及 /07-8923453+$ 日% 等# ,(*4(. 等软件包为进行各种数值计算提供了有力工具# 各国在焊接过程模拟方面已经做了大量工作! 在生产中得到了许多应用成果

:;<%=>99)1)2345 软件的发展历程

法国的 ?=.=4@ABCD 对相变时的钢的塑性行为进行了理论和数值研究! 在研究的基础上发展了)1)2345 软件# )1)2345 的开发最初源于核工业领域的焊接工艺模拟!当时核工业需要揭示焊接工艺中的复杂物理现象!以便提前预测裂纹等重大危险# 在这种背景下!$EFG 年!法国法码通公司和 3)7 公司共同开展了 )1)2345 的开发工作# 由于热处理工艺中同样存在和焊接工艺相类似的多相物理现象!所以 )1)2345 很快也被应用到热处理领域中并不断增强和完善#随着应用的发展!)1)2345 逐渐扩大了其应用范围!并迅速被汽车工业& 航空航天& 国防和重型工业所采用# >EEH 年!)1)2345 正式加入 3)7 集团!法码通成为 )1)2345 在法国最大的用户并继续承担软件的理论开发与工业验证工作 #%#%99)1)2345 简介

)1)2345 完全实现了机械& 热传导和金属冶金的耦合计算! 允许考虑晶相转变及同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响#在具体计算中!分两步进行!首先实现温度和晶相组织的计算!然后进行机械力的计算# 在机械力计算中!已经充分考虑了第一步计算的结果! 如残余应力和应变的影响# )1)2345 的电磁模型允许模拟点焊和感应加热!并可实现能量损失和热源加载的计算模拟# )1)2345 扩散与析出模型可实现渗碳&渗氮&碳氮共渗模拟!先计算化学元素的扩散和沉积! 然后再考虑对热和机械性能的影响#)1)2345 的氢扩散模型能计算模拟氢的浓度 !预测冷裂纹的严重危害#如图 > 所示

2.1有限元法及其优越性

有限元法 (FiniteElementMethod，FEM)，也称为有限单元法或有限元素法，是随着计算机技术的发展而出现的一种有效的离散数值计算的方法，目前已成为对焊接过程进行数值模拟的重要手段。其基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。有限元法现在己经广泛应用到力学、热学、电磁学等各个学科，主要分析工作环境下物体的线性和非线性静动态特性等性能。

当前，在我国工程界比较流行大型有限元分析软件有MsC加ASTR.AN，ANsys，ABAQus，MARL，ADINA和ALGOR等。有限元方法之所以能获得如此迅速的发展和广泛的应用，是因为她具有独特的优越性。以往常用的差分方法，其不足之处在于采用的是直交网格，较难适应区域形状的任意性，而且区分不出场函数在区域中轻重缓急之差异，此外它还有编制通用程序的困难。然而，有限元方法可以用任意形状的网格分割区域，还可以根据场函数的需要疏密有致地、自如地布置节点，因而对区域的形状有较大的适应性。另外，有限元方法在使用上更大的优越性还在于，它与大容量的电子计算机相结合，可以编制通用的计算程序，代表着数值计算方法的进步，同时也促进了计算机科学的发展。

研究内容及意义

本文所做的是焊接接头的模拟，这是焊接结构模拟的基础。本文通过验证焊接模型，特别是热源和边界条件的准确性与合理性，可以检验焊接模拟技术的可行性，为以后焊接构件残余应力的模拟研究打好基础 采用数值模拟方法，只要通过少量验证试验来证明数值方法在处理某一问题上的适用性，那么大量的筛选工作便可通过计算机进行，而不必在工厂或实验室里进行大量的试验工作。这就大大地节约了人力物力和时间，减少实验工作量，减少实验盲目性。对于保证焊接结构的质量和安全可靠性，具有重大的经济价值和现实意义

1.3.3焊接残余应力数值模拟的国内外历史及发展现状

上世纪30年代，Boulton和 Lance.Martinl936年发表的文章中，讨论了焊接过程中沿板件边缘产生的瞬时热应力，粗略地研究了一维焊接残余应力产生机制[27]。随后，前苏联的H.O.奥凯尔勃洛姆进行了进一步的发展完善工作，初步阐述了焊接应力和变形的一般原理[28]。20世纪60年代初，美国Tan博士又发展了一种方法，进行了用计算机代替图形分析的尝试，编制了一套可以进行焊接热应力应变分析的计算机程序，进一步研究了一维焊接残余应力的产生机理，为计算机在焊接应力变形中的应用奠定了基础[29]。 自从20世纪70年代初以来，提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性理论，加上日益普及的高性能电子计算机和相关软件的广泛应用，从而使复杂的动态焊接应力应变过程的数值模拟和理论预测成为可能。1973年，日本的上田幸雄和村川英一利用有限元分析了焊接过程的热弹塑性性质，编制了一套可以进行二维平面应力状态下的焊接应力应变分析的有限元计算程序[30]。与此同时，美国的lwaki也编制出一套可以用于板上堆焊时焊接热应力的热塑性有限元分析程序。此后，Muraki对程序进行了改进，用热弹性的有限单元法对大板焊接时的金属运动以及焊接应力进行计算分析，大大节省了计算时间[3’，32]。在焊接过程中，材料在高温状态下发生相变在所难免，这也是进行焊接热模拟过程中必须考虑的一个因素。美国的Friedman根据厚板对接焊时的特点，将平截面假设条件称之为广义平面应变，将此假设应用于三维有限元方程中，使方程得以简化，相应地对计算焊接应力的费用和计算机硬件条件的要求也大大降低[33l。近年来，国外的Afzaa采用双椭球热源分析了低碳钢薄壁圆筒的焊接，分析了材料参数对焊接温度场及焊接应力的影响并采用试验进行了验证，从而验证了模拟的材料参数的重要性[34]。 D.GKaralis对手工电弧焊数值模拟值和试验结果进行了对比，并分析了微观结构及低温马氏体的形成对残余应力的影响[35〕。新加坡的x.Shan等采用3D有限元模型分析了残余应力及进行了试验验证，从而精确预测残余应力

[36]。韩国的seok一HoonKiln等对高合金钢gCr--IMO板开V形及x形坡口焊接进行了数值分析，并采用中子衍射法进行了残余应力的测量，表明其对应力预测的有限元方法是有效的[37]。

国内在20世纪80年代初，西安交通大学和上海交通大学等就开始了焊接热弹塑性理论及其在数值分析方面的研究工作。上海交通大学开发出了二维平面变形和轴对称的焊接热弹塑性有限元分析程序，并在薄板、厚板和管子等焊接应力分析方面得到了成功的应用，此后又引入了高温蠕变和相变的影响[38〕。近些年来，上海交通大学与日本大阪大学对三维焊接应力和变形问题进行了共同研究，提出了改善计算精度和收敛性的若干途径，发展了有关的三维焊接分析程序。上海交通大学汪建华等人采用三维固有应变有限元方法分析大型筒体结构环缝对接焊的焊接变形情况，为实际操作提供了有用的依据和参考[39l。上海交通大学的陆皓等提出了基于固有应变对接薄板失稳分析的基本方程，并对不同工艺条件下的低碳钢薄板对接焊接变形进行了研究，比较了数值分析和实验测量结果，并且数值计算考虑了薄板不平整度的影响140]。清华大学的鹿安理、石清宇和蔡志鹏等人在结构焊接应力变形预测与控制方面进行了广泛的研究，取得了重要进展，研究结果应用于三峡1200t桥式起重机主梁焊接变形的精确控制和大型挖掘机的工艺设计，产生了重要的经济和社会效益[9]。天津大学也开展了用热弹塑性有限元法对焊接应力变形的数值模拟研究工作。兰春萍、张玉凤对管道环焊缝焊接残余应力进行了计算和测量，结果表明，一维有限元计算与实验结果基本一致[4l，42】。华中科技大学的梁晓燕本基于ANSYS平台，对中厚板对接多道焊的温度场和应力场的分布进行了动态模拟，建立双热源模型，分析了不同时刻的温度场分布、应力场中不同方向的残余应力的变化以及中厚板最终的变形情况，计算结果与实测结果对比，二者基本吻合[43]。广西大学的陈家权、肖顺湖[44，45]建立了薄板焊接过程数值模拟有限元模型，提出了基于焊缝单元形心坐标的焊缝单元排序方法，在焊接过程中，沿焊接方向逐次“激活”焊缝单元可以有效地模拟焊缝金属的填充过程，表明生死单元方法热源模型是一种简单的热源加载模式，同时应用有限元方法，计算分析带几何缺陷焊接接头力学性能，通过杀死焊接接头有限元模型中相应位置的单元，模拟存在的几何缺陷，验证了应用生死单元模拟几何缺陷的有效性。哈工大的杨建国、方洪渊等采用MARC研究了复合材料的焊接，通过分析认为，复合材料的焊接残余应力最大值出在熔合线，同时约束距离和热效率也对焊缝应力有影响[46，47] 综上所述，我国在焊接应力变形的数值模拟分析方面己取得了可喜的成就和进展。随着计算机硬件环境的不断提高和软件技术的改进，大规模问题的焊接应力和变形的数值模拟可望成为现实。