焊接数值模拟研究现状

焊接数值模拟研究现状

摘要：随着计算机软硬件技术的快速发展,使得研究复杂焊接结构的焊接过程成为可能，为我们研究单层网壳结构中箱型截面焊接节点制创造了条件。本文主要介绍焊接数值模拟概念及方法，热源模型研究现状、焊接数值模在残余应力方面的研究现状。

关键词：焊接，数值模拟，残余应力

引言：

焊接数值模拟是随着社会进步和计算机发展而兴起的一种模拟分析方法。该法可以弥补实验研究方法试验场地难、实验经费高以及理论分析很难应用于复杂模型的问题，缩短了试验周期和计算的繁琐，有限元数值模拟可以较好的模拟节点在不同边界条件、不同荷载、不同材料性能等情况下的受力性能，通过有限元应力和应变结果的分析，可以对节点的受力有一个较好的了解和把握，对于受力的薄弱区可以采取相应的措施，而且条件的改变和模型的建立在有限元软件中都可以实现。 1.焊接数值模拟概念及方法

焊接数值模拟就是通过建立适当的数学模型，对其施加初始条件和边界条件，求解相应的微分方程组来解决焊接热过程、应力和变形等问题，并将分析得到的结果通过计算机直观地表达出来，设计人员可以通过模拟焊接过程对焊件进行检验，并对工件结构形式以及焊接工艺参数进行优化[1]。

焊接数值模拟常用的方法有三种：差分法、有限元法和边界元法[2]。差分法顾名思义就是运用简单的差商对函数进行计算。 目前，能进行焊接模拟的主要软件有：ANSYS、ABAQUS、MARC、Simufact.welding、SYSWELD、JWRIAN等。 2.焊接数值模拟热源模型研究现状

实际焊接过程中熔池受到保护气体及焊接电弧的冲击等多种因素的复杂影响，熔池内的瞬态热流密度和温度分布难以通过试验准确获得[3]，因此国内外学者根据熔池轮廓特点建立了相应的简化模型。热源模型的准确性通常采用熔池轮廓匹配原则进行评估，即对比模拟熔池横截面与实际焊缝横截面，两者越接近表示建立的热源模型及参数越接近实际焊接热流分布。由于焊接工艺及参数直接影响了焊缝横截面的形状和尺寸，因此国内外研究学者针对不同的焊接工艺及参数开发了一系列热源模型，使得模拟熔池横截面能与实际焊缝横截面相匹配。

热源模型经历了一维点热源、二维面热源到三维体热源，以及从单一热源模型向组合热源模型的发展过程。对于一维点、线热源模型，熔池及热影响区等关键部位的模拟温度分布与实际相差较大[4]，不适宜焊接应力及变形的模拟预测和工程应用。对于二维热源模型，1969年美国威斯康星大学的Pavelic首次提出了较为实用的高斯面热源模型，即在焊缝表面区域施加高斯分布的热流密度，焊接热输入从热源中心沿径向按高斯分布规律递减[5]，该热源模型能够较好的反映火焰加热等工艺的热流分布规律。然而加拿大Goldak等相关学者指出，该高斯面热源无法反映电弧对熔池的挖掘作用以及对熔池液体的搅动行为[6]，不适宜较大熔深的焊接工艺模拟，即高斯面热源的使用范围受到了较大的限制。

由此可见，在实际焊接中不同工艺参数下得到的焊缝横截面轮廓各不相同，根据不同焊接工艺参数、模拟熔池形状便于调节并能获得较高模拟准确度的热源模型，是确保箱型截面焊接节点的焊接变形和残余应力模拟结果有效性的重要前提条件。 3.焊接数值模在残余应力方面的研究现状

国内在上世纪80年代开始了关于焊接热弹塑性理论及在数值分析方面的研究工作，上海交通大学出版的《数值分析在焊接中的应用》对当时国内外的研究成果作了 介绍。1983年，陈楚等人[7]对非线性瞬态温度场进行有限元分析，并且编制了二维热弹塑性的有限元程序，这个程序应用于计算平钢板的对接焊缝时应力的发展过程以及残余应力和变形分布。

2011年，M.J.Attarha和1.Sattari-Far[8]运用ABAQUS有限元分析软件对薄板进行三维有限元模拟，对比分析了不同材料属性情况下的峰值温度和冷却速度，同时实验验证，证明了使

用ABAQUS软件模拟结果的准确性。2014年，M.Islam等人[57]提出一种有效的优化焊接过程参数的数值方法来减小焊接变形，通过结合数值模拟和遗传算法寻找最佳工艺参数，开发程序将工艺参数自动输入到仿真模型通过优化结果可以得出，运用该方法可以有效提高焊接产品质量，促进和加快产品设计和开发。

由此可见， 随着计算机软硬件技术的快速发展,使得研究复杂焊接结构的焊接过程成为可能，为我们研究单层网壳结构中箱型截面焊接节点制创造了条件。焊接数值模拟技术的出现,使焊接生产迅速朝着“理论→数值模拟→生产”模式的方向发展转变；焊接数值模拟技术的发展，使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。 4.结语

综上所述，焊接变形的数值模拟和理论预测在研究和设计领域已得到了广泛应用，它为解决焊接残余应力和变形这一难题带来了新思路和新方法，但仍存在许多问题。首先在建立科学而精确的物理模型方面还需要做大量的基础性研究工作，其相应的模拟技术与检测技术也有待于向更为精确的方向发展。再次，由于计算过程复杂, 步骤很多, 造成了较大的累积误差,难以保证精度。但数值模拟研究成果已使人们对复杂焊接物理现象的本质和规律以及焊接变形的发展有了进一步的了解，随着计算机硬件环境的不断提高，软件技术和数值模拟方法的改进，将大型复杂结构焊接残余应力和变形的数值模拟预测技术全面运用于实际生产，并用来指导设计，制定和优化焊接工艺等。 参考文献：

[34]上海市焊接协会.焊接先进技术[M].上海:上海科学技术文献出版社,2010.

[35]张彦华.焊接力学与结构完整性原理[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[38]Murphy A B,Tanaka M,Yamamoto K,et a1.Modelling of arc welding:the importance of including the arc plasma in the computational domain[J]Vacuum,20 1 O,85(5);579-584.

[39]程久欢,陈俐,于有生.焊接热源模型的研究进展[J].焊接技术,2004,33(1):13.15．

[40]Pavelic V TanbakuchiR ,Uyehara OA ,eta1. Experimental and computed temperature histories in gas tungsten-ale welding ofthin plates[J]. Welding Journal ,1969,48(7):295． [41]Goldak J,Chakravarti A,Bibby M.A new finite element model for welding heat sources[J].Metallurgical transactions B,1984,15(2):299-05.

[47]陈楚,汪建华,杨洪庆.非线性焊接传导的有限元分析和计算.焊接学报,1983,3:139-148. [56]M.j.Attarha,I.Sattari—Far.Study on Welding Temperature Distribution in Thin Welded Plates through Experimental Measurements and Finite Element Simulation[J]Journal of MaterialS Processing

Technology,2011,211:688—694.