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焊接过程数值模拟与专家系统

点击:次??来源:韦德国际1946 时间:2017-09-29

1.焊接过程数值模拟涉及的对象 
目前,焊接领域采用数值模拟方法涉及的对象大致有以下几个方面: 
(1)焊接温度场的数值模拟 其中包括焊接热传导、电弧物理现象、焊接熔池的传热、传质行为等。 
(2)焊接应力与变形的数值模拟 包括焊接过程中瞬态热应力应变和残余应力应变等。 
(3)焊接化学冶金与物理冶金过程模拟 包括化学元素过渡、凝固、晶粒长大、偏析、固态相变、热影响区脆化、氢扩散等。 
(4)焊接接头的力学行为和性能的数值模拟 包括断裂、疲劳、力学不均匀性,几何不均匀性及组织、结构、力学性能等。 
(5)焊缝质量评估的数值模拟 包括裂缝、气孔等各种缺陷的评估及预测。 
(6)特殊焊接过程的数值分析 如电阻焊、激光焊、电子束焊、瞬态液相焊、陶瓷金属连接等。 
由此可见,焊接过程数值模拟已涉及到相当广泛的领域,而且由于焊接过程涉及到许多基础学科,每一方面又都涉及许多影响因素,同时又是随时间而变化的特殊过程,因此要得到具有足够精度的焊接过程数值模拟的结果难度相当大。为此,这一学科吸引了许多焊接科技工编辑从事了大量的研究。计算机硬件、App的发展也为此创造了条件。 
2.焊接过程数值模拟的方法 
数值模拟的基础是能用数学模型来描述自然界或工程界所发生的现象,通过模拟可以使这些现象重现出来,从而可以使人们对产生这一现象的机制及各种影响因素有更深的了解。当描述某一现象的数学模型可以用数学模型推导或演绎求解时,所获得的结果就是解析解。对于一些复杂的数学模型,例如,高阶的、非线性的,与时域相关的微分或积分方法,往往只能求助于数值方法求解、数值解法的计算工作量很大,但这对于当今计算机技术以及数值计算理论发展水平来说,这已不是不可克服的困难。 
常用的数值解方法有:差分法、有限元法、蒙特卡洛法。 差分法的基础是用差商来代替微商,也就是把微分方程变为差分方程,通过离散化的数值计算求得近似的数值解。 
有限元方法是将连接的物体本身离散化,分解为由有限个单元组成的高效化模型,即进行网格划分,进而对离散化模型求数值解。由于这种方法概念清析,单元网格划分形象、直观,不受物体几何形状、边界条件和物理特性的限制、适用性强、非常灵活、容易掌握,因此得到了广泛应用。在有限元法的基础上又发展了边界元法。 
蒙特卡洛法是一种采用统计试验的模拟方法。这种方法是通过统计量的值来计算随机过程的参数。例如:焊接接头疲劳断裂可看作是一种随机过程,就可以用蒙特卡洛法模拟疲劳断裂失效的情况。 
总之,目前在焊接过程的数值模拟中,基本上是以有限元法为基础,配以解析解,有限差分,蒙特卡洛等方法,而且在实际应用中,各种方法常常相互交叉渗透。例如:在焊接瞬态热传导数值模拟中,空间域采用有限元方法,而时间域则采用差分法,将两种方法结合起来求解,可取得较好的效果。 
目前在进行有限元分析时所用的App方面已经有了不少优秀的计算分析App,如:ABAQUS、ADINA、NASTRAN、MARC、SYSWBLD等可供焊接工编辑选用。这些App可以进行二维甚至三维的电、磁、热、力等各方面线性和非线性的有限元分析,而且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,焊接工编辑已经无需自己从头编制模拟App,可以利用上述商品化App,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。 
3.焊接过程数值模拟的应用及发展前景 
在焊接过程数值模拟中,对焊接温度场和应力应变场的模拟数量最多,起步也较早,积累的经验也较丰富,在实际生产中得到了一定的应用。 
(1)焊接温度场的数值模拟 温度场的模拟是对焊接应力应变场及焊接过程其他现象进行模拟的基础,同时通过温度场的模拟还可以预测焊接熔池形状,满足设计要求,防止诸如未熄透、烧穿、咬边、熔池等缺陷的产生。比如德国Aachen大学焊接研究所(ISV)对气保焊熔地缩状的模拟就是在对焊接温度场进行计算的基础上,对气保焊过程中电弧的电磁现象、热力学和流体动力学等的作用分别进行分析,然后加以综合以求得如焊缝的几何形状和尺寸的实例。德国ISV在研究工作的基础上开发了MAGSIMApp,其主要功能就是根据焊件种类和厚度,坡口型式和焊接条件计算气体保护焊 时焊缝中各点的热循环和熔池的几何形状。这一App还可以依据求得的焊缝几何形状判断是否发生了未焊透或烧穿,判断焊缝顶部和根部的宽度和余高、熔深或咬边是否满足质量要求。MAGSIM同时可用作优化焊接工艺 参数的工具。该App目前已经商品化,其适用范围还在扩大,功能也将不断增加。 
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