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西 南 交 通 大 学本科毕业设计(论文)Al-Mg-Si系铝合金MIG焊温度场及应力场数值模拟年 级:2007级学 号:姓 名:专 业:材料成型及控制工程指导老师:2011年06月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第IV页院 系 材料科学与工程学院 专 业 材料成型及控制工程 年 级 2007级 姓 名 许文 题 目 Al-Mg-Si系铝合金MIG焊温度场及应力场数值模拟 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕 业 论 文 任 务 书班 级:07成型01班 学生姓名: 学 号: 20075302 发题日期:2011年3月1日 完成日期:2011年6月8日 题 目: Al-Mg-Si系铝合金MIG焊温度场及应力场数值模拟 1、 本论文的目的、意义 本文通过焊接试验得到的数据验证大型有限元分析软件Sysworld模拟焊接温度场和应力场的结果准确性和可行性,再模拟不同长度焊件的温度场和应力场,分析其变化规律,为简化高速列车铝合金的有限元数值模拟分析提供理论基础和实验依据,然后模拟高速列车侧墙局部的温度场和应力场,分析温度场和线能量对应力场的影响,为研究整个车体的三维温度场和应力场提供了理论依据和指导,促进了限元数值模拟在焊接力学分析以及工程中的应用。2、 学生应完成的任务 查阅资料、收集整理资料,明确本论文研究的内容和意义; 熟悉Sysworld软件中的SYSWELD模块,还有相关建模软件和网格划分软件 Visual-Mesh; 结合实验,验证SYSWELD数值模拟铝合金MIG焊的温度场和应力场得准确性; 数值模拟不同长度焊件的温度场和应力场并分析其变化规律; 模拟铝合金高速列车侧墙局部的温度场和应力场,分析残余应力对结构的影响; 外文资料的阅读及翻译。 3、 论文各部分内容及时间分配(共 16 周)第一部分: 查阅资料、收集整理资料 (2周)第二部分: 外文资料的阅读及翻译 (2周)第三部分: 熟悉Sysworld软件中的Sysweld模块,还有相关建模软件和 网格划分软件 Visual-Mesh (4周)第四部分: 实验测得实际焊接的典型点的热循环曲线和焊接之后的典型 截面的残余应力 (2周)第五部分: 数值模拟不同长度焊件的温度场和应力场 (1周)第六部分: 模拟铝合金高速列车侧墙局部的温度场和应力场 (2周)第七部分: 撰写毕业论文 (2周)论文评阅及答辩: (1周)备 注参考文献至少30篇以上,其中英文参考文献不得少于5篇。要求格式如下: (1)专著M、论文集C、学位论文D、报告R 序号 主要责任者.文献题名文献类型标识.出版地:出版者,出版年.起止页码(任选). (2)期刊文章 序号 主要责任者.文献题名J.刊名,年,卷(期):起止页码. (3)报纸文章 序号 主要责任者.文献题名N.报纸名,出版日期(版次). (4)国际、国家标准 序号 标准编号,标准名称S. (5)电子文献 序号 主要责任者.电子文献题名电子文献及载体类型标识(数据库DB,计算机程序CP,电子公告EB).电子文献的出处或可获得地址,发表或更新日期/引用日期(任选). 指导教师: 年 月 日审 批 人: 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第52页摘 要摘要:随着中国高速铁路快速发展,铝合金具备的良好塑性,易成型,轻量化,耐腐蚀等优点使得铝合金在高速列车制造中的使用越来越多,焊接技术作为一种很重要的成型技术广泛地运用于铝合金高速列车的制造中。焊接过程是涉及电弧产生,复杂传热,金属相变,焊接变形和焊接应力等复杂现象的一个过程,焊接时的高密度的瞬时热输入,局部加热,热源的相对运动,使得所焊工件受热不均匀,产生很大的应力和变形,对工件的结构和性能产生不好的影响,所以分析焊接过程中的复杂温度场和应力场对分析焊接结构质量有决定性意义,随着计算机的快速发展和相关商业软件的开发,有限元数值模拟成为研究焊接技术的重要手段。本文以大型商业软件SYSWELD为平台,结合铝合金实际焊接方法和工艺,模拟实际焊接情况的温度场和应力场,和实验方法测量得到的温度值和应力值对比,验证了有限元模拟软件SYSWELD在模拟温度场和应力场时的可靠性和准确性。验证软件的可靠性之后,分别模拟长度为100mm,200mm,400mm,800mm而其他条件不变化的焊件的温度场和应力场,发现只要焊件达到一定长度,焊件的温度场和应力场就会在中间位置出现稳定状态,长度越长,中间稳定状态越长,所以模拟适当长度焊件得到的温度场和应力场和模拟很长焊件的温度场和应力场是一样的。这为简化高速列车铝合金侧墙的建模和温度场与应力场的分析提供了理论依据。以上面模拟实验作为理论依据,可以缩短侧墙模型的长度,大幅减少计算量而不影响软件模拟的结果。模拟时,分同时焊接两条焊缝,焊完一条后马上焊接第二条,焊完一条冷却一段时间后再焊第二条这三种情况进行计算,得到温度场和应力场,分析得到两条焊缝同时焊接得到的温度和应力相对较大,而焊完一条冷却一段时间后再焊第二条这种情况的应力情况较好,所以建议企业在生产制造时考虑本文的研究结果。关键词 :有限元;数值模拟;温度场;应力场AbstractWith Chinese high-speed railway is developing rapidly, aluminum alloy with good plasticity, easy shaping, lightweight, corrosion-resistant was used widely in the high-speed train. Welding technology as a very importantmolding technology was widely used in the manufacture of high-speed trains. Welding process involved the producing electric arc, complex heat transfer, phase change of metal, welding deformation and residual stresses and other complex phenomenon. In the process of welding, high-density transient heat input, local heating, the heat source relative motion makes the welder heated uneven, resulted in great stress and deformation, thus made a bad effect on the Thermal andmechanical properties of the workpiece, so studying temperature field and stress field of the welding process have a decisive significance on the quality of welded structures. With the rapid development of computertechnology and related business software development, finite element simulation has become an important means of studying the welding technology. In this paper, we has SYSWELD, a large-scale commercial software as a platform. We combined with the actual welding method and process to simulate temperature and stress fields in the actual welding conditions, and compared with temperature and stress fields measured from the experiments in the same condition. Then we find that it verifies the accuracy and feasibility of the numerical simulation software SYSWELD.After that, We simulated temperature and stress fields of 100mm, 200mm, 400mm, 800mm weldment with the same other conditions. We found that the temperature field and stress field stay in a stable state inthe middle of the weldment if the weldment come to a length. the longer the weldment, the longer the stable state stays. This provides a enough theoretical basis to simplify the modeling and simulation of thealuminumside wall of the high-speed train. We can shorten the length of sidewall model with Theabovesimulationas a theoreticalbasis, and reduce the computational significantly without affecting the software simulation results. We have three conditions to simulate:one is welding the two lines at the same time;second is welding the second line right after welding the first line;third is welding the second line after the first line cooling for a period of time。After simulation,we got temperature and stress fields, and find that the third condition is better than the first and the second condition. We still find that the first condition got a higher temperature and stress. So we suggest that the enterprise consider the results of the study in the manufacturing. Keywords: Finite element;Numerical simulation;Temperature field; Stress field目 录第1章 绪论11.1 本论文研究的意义11.2 焊接温度场和应力场数值模拟的国内外历史及发展现状21.2.1 焊接温度场数值模拟国内外历史及发展现状21.2.2焊接应力场数值模拟国内外历史及发展现状41.3 论文的主要工作内容5第2章 有限元数值理论基础和软件应用72.1 有限元分析理论基础72.1.1 有限元理论72.1.2 焊接过程温度场有限元分析理论72.1.2 焊接过程应力场有限元分析理论102.2 软件应用112.2.1 模型建立和网格划分112.2.2 热源调节132.2.3 Welding Advisor建立工程192.2.4后期处理并分析202.3 热源调节的经验20第3章 SYSWELD模拟温度场和应力场实验验证243.1 铝合金材料堆焊的热循环实验243.1.1 实验简介243.1.2 热电偶测温原理253.1.3 测量焊件上的几个典型点的温度253.2 焊接模拟温度场的计算结果和实验验证253.2.1 焊缝中心线点的温度时间变化过程263.2.2 垂直焊缝方向点的温度时间变化过程273.2.3 温度场的实验验证283.3 铝合金材料的应力值测量实验293.3.1 小孔法简介293.3.2 应力值测量303.4 焊接模拟应力场的计算结果和实验验证31第4章 温度场和应力场的尺寸效应334.1 模拟方法设计和计算334.2 不同长度焊件温度场变化情况344.2.1 典型时间点的温度场云图344.2.2 焊缝上系列点热循环曲线344.3不同长度焊件的残余应力变化情况374.3.1 焊缝方向上一系列点的纵向残余应力分布规律384.3.2 垂直焊缝方向横截面上的点的纵向残余应力394.4小结40第5章 高速列车铝合金侧墙数值模拟和分析415.1 高速列车铝合金侧墙局部建模和网格划分415.2 不同焊接时间下的温度场分析425.3 不同焊接时间下的应力场分析45结 论48致 谢49参考文献50第1章 绪论1.1 本论文研究的意义随着中国经济快速发展,人们生活节奏加快,对出行使用的交通工具要求也越来越高。在此背景下,高速列车在我国得到快速发展和应用,焊接技术作为一种很重要的成型技术很广泛地运用于铝合金高速列车制造中,研究焊接工艺对制造性能良好的高速列车有很重要的意义。相对于其他成型技术,焊接具有接头强度高,结构设计灵活性大,接头密封性好,成品率高等优点,但是焊接过程是一个相当复杂的过程,涉及到电弧产生,复杂传热,金属相变,焊接变形和焊接应力等。焊接过程中高密度的瞬时热输入,局部加热,热源的相对运动,使得所焊工件受热不均匀,温度场很复杂,产生很大的应力(残余应力,热应力,相变残余应力)和变形(焊接角变形,焊接收缩,焊接翘曲和焊接扭曲等),对工件的结构和性能产生不好的影响,也影响焊接结构的加工精度和尺寸的稳定性,所以在焊接设计和施工时必须充分考虑温度和应力对焊接结构和性能的影响。所以,对铝合金车体焊接过程中温度场和应力场数值进行测量,分析,预测和模拟具有很重要的意义。以前,对焊接温度场和应力场的分析都是通过实验方法测得有关温度场和应力场的数据再进行分析,因为外界很多不确定因素的影响,例如测量数据误差,工件不规则或者工件存在内部应力,导致实验数据不是十分精确,并且还浪费大量人力,物力,财力和时间,所以实验方法测量温度场和应力场一定程度上受到一定限制,不能得到广泛推广,在计算机技术快速发展和大型数值模拟商业软件不断完善的今天,采用数值模拟的方法可以很好解决这个问题。数值模拟方法有很多种,如有限元法,数值积分法,蒙特卡洛法,差分法等,尤其是有限元法已经很广泛地运用于焊接热传导,焊接应力和焊接变形分析中。而有限元模拟软件现在也有很多,比较常用的有ANSYS,MARC,ADINA等大型商业软件。 SYSWELD作为一个大型有限元数值模拟商业软件,在焊接过程中,相比于ANSYS等有限元分析软件,可以得到更好的模拟数据和准确的模拟结果,目前正处于推广阶段。SYSWELD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,1980年,法国法码通公司和ESI公司共同开展了SYSWELD的工艺开发,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SYSWELD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,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1。1997年,SYSWELD正式加入ESI集团,法码通成为SYSWELD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。本文就基于SYSWELD软件平台,采用双椭球热源分布模式(焊接铝合金的MIG焊的通用热源模型),利用和平板对接接头的温度场和应力场实验数据对比,验证SYSWELD模拟数据的准确性,模拟不同长度下焊件的温度场和应力场,分析变化规律,然后建立不同焊接顺序下铝合金高速列车侧墙的温度场和应力场的有限元数值模拟,分析温度场和线能量对应力的影响,为以后铝合金管高速列车的生产和研制提供新的方法,减少研发经费和研发周期。1.2 焊接温度场和应力场数值模拟的国内外历史及发展现状焊接过程是一个非常复杂的过程,涉及电弧产生,热量传导,金属熔化,组织相变和焊接应力和变形等众多物理现象,电弧产生和焊接设备的电流,电压,热效率等有关,热量传导和焊件材料的热物性参数和边界条件等有关系,焊件应力和变形和焊接过程的温度场分布,约束条件,载荷条件等有关系。如果用实验的方法去测量温度场和应力场,必须考虑测量误差的存在,并且还会浪费很多时间,大量的人力,物力和财力,经济效益不好。如果能够在计算机上去模拟决定焊接温度场和应力场的因素,就可以通过在计算机上改变这些因素来得到高质量的焊接接头,从而确定最佳的焊接设计工艺和焊接参数,并且能够大大地节约人力,物力和财力,减少实验工作量。可想而知,如果能够很好地实现焊接数值模拟,对研究焊接工艺和参数有很大的意义,世界各国的科学家也很早就开始了这方面的理论研究和模拟运算。1.2.1 焊接温度场数值模拟国内外历史及发展现状焊接热源的高密度瞬态热源输入造成焊接过程中焊接受热不均匀性,是造成焊接应力和应变产生的最重要原因,所以模拟焊接热过程是非常必要的。国外早在20世纪40年代就开始了对于焊接热过程的研究,D.Rosenthal分析了匀速移动热源在焊件中的热传导过程,但并未考虑到一些热物性参数会随温度变化而变化2。雷卡林将焊接热源模型归纳简化为点,线,面三种理想热源模型,对焊接热源模拟计算提供了很多理论依据,但受当时计算机应用技术还不够成熟,其计算结果还存在很大误差。20世纪60年代后,随着电子计算机应用技术不断发展,也给焊接热过程的数值分析提供了很好的条件。如今有限元法在数值模拟中得到广泛应用,其提出时间可以追溯到1943年,由Courant提出,并应用于固体力学中,与差分法相比,有限元数值模拟法可以用任意形状的网格单元以及根据研究需要疏密有致地设置单元大小,所以在数值模拟得到了很广泛的应用。1966年,Wilson和Nickell首先将利用有限元数值法模拟固态热传导过程,并用实验验证3。之后美国的Gw.Krutzy在其博士论文中利用有限元法建立了二维模型并分析其温度场。之后世界各地的科学家又基于有限元分析理论,结合实际焊接方法建立了各自的温度场分析模型。例如Sonti和Amateau根据铝合金激光焊特点建立了二维温度场有限元模型4,Tekriwall建立三维有限元模型分析了气体保护焊的温度场情况5。为了更加全面分析焊接温度场,得到和实际情况更加一致的温度场,美国科学家bathe热传导过程中,不仅考虑了热对流以及辐射传热等其他热现象,而且还考虑了相变潜热等因素,设置的模拟参数和实际情况更加接近6。2000年南非开普顿大学的Ronda等建立了相变规律和相变塑性的系统理论,建立的TMM模型不仅研究了温度变化对相变的影响,而且还研究了应力应变对相变的影响,是最近几年为研究有限元分析提供的比较成功的技术之一7。随着计算机应用技术的发展,基于以上很多科学家提供的有限元理论,很多软件公司开发了很多基于有限元数值模拟的商业软件,例如常用的ANSYS,MARC,ADINA等,为焊接过程的有限元数值模拟分析提供了很好的分析工具。近几年,类似于ANSYS的有限元数模拟商业软件SYSWELD的出现进一步推动了有限元数值模拟的发展。北京交通大学,重庆大学,合肥工业大学,哈尔滨工业大学的教授和学生基于SYSWELD利用有限元理论对不同结构焊件,不同焊接方法进行了温度场的数值模拟,均验证了SYSWELD的准确性和可行性。浙江大学毕艳霞利用SYSWELD对T型接头的温度场进行了模拟,对典型时刻的焊接温度场分布情况以及焊缝中心线上典型点的热循环曲线进行分析,分析了不同焊接速度对温度场分布的影响8。合肥工业学院材料学院华鹏等人基于SYSWELD建立模型,采用双椭球热源模型对平板钢堆焊的温度场进行了模拟计算,并用实测结果进行了验证9。陈玉华等人基于SYSWELD对在役管道焊接时的温度场进行了数值模拟,分析了管道中介质流速、管壁厚度和线能量等因素对温度场的影响,并对模拟结果进行了验证10。李瑞英等人采用双椭球热源模型模拟了匀速运动电弧下TIG焊接不锈钢的温度场,观察了熔池形态演变并和实际情况进行了对比11。重庆大学的黄彦彦等基于SYSWELD对低合金结构钢的CO2焊的温度场进行了模拟,得到了瞬态温度场云图和典型点的热循环曲线并对其进行了验证12。1.2.2焊接应力场数值模拟国内外历史及发展现状焊件经过焊接之后得到的残余应力会严重影响制造过程和焊件的使用性能,具体会对以下几个方面有影响:1. 对构件刚度的影响: 残余应力对结构刚度的影响程度取决于在受载的界面上受到残余拉应力区域的面积大小,这部分的面积越大,对结构刚度的影响就越大。2. 对构件静强度的影响:当结构件的是工作在低温环境或者结构中的焊接残余应力是属于三向受拉状态时,即使材料具有足够的塑性,焊接残余应力仍会降低结构的静强度3. 对构件疲劳强度的影响:受交变载荷的构件中存在残余压应力时,结构的疲劳强度会提高,存在残余拉应力的话,则结构的疲劳强度就降低21。焊接残余应力对疲劳强度的影响往往和结构的服役环境、结构材料的性能、残余应力的大小和分布、外载的作用状态等因素相关。4. 对机械加工精度的影响:在加工前没有对焊件进行消除应力处理,在机械加工的过程中,可能会因为夹具的松开而导致残余应力平衡破坏产生的变形体现出来。5. 对构件应力腐蚀开裂的影响:相同材料和工作环境下,应力越大越容易发生应力腐蚀开裂。焊接残余应力的存在会导致结构在规定使用年限内发生应力腐蚀开裂,使得结构提前报废13。早在1936年,Boulton 等发表文章讨论了焊接过程中沿板件边缘产生的瞬时热应力,简单分析了焊接残余应力产生机制14。之后,前苏联的H.O.奥凯尔勃洛姆在Boulton的基础上进行一系列工作,初步完善了焊接应力和焊接变形的一般原理15。自20世纪70年代以来,科学家提出了考虑材料热物性参数和力学性能参数的焊接热弹塑性理论,加上计算机技术的发展和有限元模拟软件的广泛应用,从而使复杂的焊接应力应变过程的数值模拟成为可能。1973年,日本的上田幸雄利用有限元理论研究了焊接过程的热弹塑性变化,编写了可以分析平面应力状态的焊接应力应变计算程序16。同时,在美国的Iwaki也基于有限元分析理论编写了可以模拟板上堆焊时焊接热应力的分析程序。之后,Muraki对程序进行了进一步优化,基于热弹性有限元理论对平板焊接时的金属运动和应力进行了模拟计算,很大程度上节省了计算时间1718。焊接过程中材料发生相变是必须考虑的一个因素。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19。国内在20世纪80年代,西安交通大学和上海交通大学对焊接热塑性理论和有限元数值分析进行了研究。上海交通大学编写了二维平面应力的计算程序,并在薄板、厚板,筒体等焊接应力数值模拟方面得到了很成功的应用。近些年来,上海交通大学联合日本大阪大学对焊件的三维应力状态和变形问题进行了分析,提出了若干改善计算精度和收敛性的方法,发展了三维焊接分析程序2021。随着计算机应用技术的发展和有限元数值模拟商业软件的推出,根据实际焊接方法和工艺参数对不同结构焊件进行焊接,取得了很多研究成果。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数值模拟计算,得到了典型时刻的温度场分布、残余应力分布以及其最终的变形情况,并进行了实验验证 22。哈工大的杨建国、方洪渊等采用MARC模拟了复合材料的焊接,研究结果表明复合材料的焊接残余应力最大值出现在熔合线附近 23。大连理工大学华一品基于SYSWELD平台考虑了边界条件和材料热弹塑性能,分析了残余应力对焊接构件承载能力的影响24。李敬勇等人利用ANSYS有限元分析软件分析了在不同预拉伸盈利条件下铝合金平板对接焊和铝合金筒体的温度场和应力场,研究表明在预拉伸状态下可以有效减小残余应力,预拉伸力越大,焊后残余应力值越小2526。1.3 论文的主要工作内容本文以铝合金高速列车侧墙作为研究对象,以有限元数值模拟软件SYSWELD为平台,以双椭球热源模型作为研究过程中的热源模型,对侧墙的MIG焊焊接过程中的温度场和应力场进行分析,具体工作内容主要有以下几点:1)根据铝合金的MIG焊特点,选用适合该焊接的双椭球热源分布模型,熟练掌握热源模型参数对焊接熔池的影响,得到较好的焊缝成形。2) 对铝合金平板的简单对接进行建模,划分网格,调节相应厚度的热源模型,对接头的温度场和应力场进行数值模拟,得到的模拟数据和相同尺寸相同工艺的对接实验数据对比,分析两者数据差异产生的原因,验证有限元软件对焊接过程模拟的准确性和可行性。3) 在其他参数和工艺不变的情况下,分别对100mm,200mm,400mm,800mm对接焊件的温度场和应力场进行模拟,观察温度场和应力场达到稳定状态的临界条件,研究温度场和应力场的变化规律,为简化高速列车铝合金的数值模拟提供理论依据。4) 以上述理论依据简化高速列车铝合金车体的侧墙,建立模型并划分网格,考虑实际生产时复杂边界条件等其他不确定因素,分同时焊接两条焊缝,焊完一条后马上焊接第二条,焊完一条冷却一段时间后再焊第二条这三种情况进行模拟计算,得到温度场和应力场,分析温度场和线能量对应力场的影响,为之后研究和生产铝合金高速列车提供建设性建议。第2章 有限元数值理论基础和软件应用2.1 有限元分析理论基础2.1.1 有限元理论有限元法(Finite Element Method,FEM),是随着计算机技术快速发展和有限元分析软件的大量出现而出现的一种使用广泛的离散数值计算方法,现在焊接过程的温度场和应力场已经大量使用有限元法进行数值模拟。其核心思想就是结构的离散化,是将实际构件理想地离散为有限个单元体,实际结构的各种性能可以通过对离散体进行分析,得到满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析,这样可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题27。在物体的离散化过程中,有以下几点是需要注意的a) 单元类型:根据实际物理问题选择合理单元类型,对不同的物体结构以及分析的类型,采用不同单元。b) 单元尺寸及单元数目:单元尺寸和数量直接影响计算规模的大小与计算结果的精度和连续性。单元尺寸可以根据实际需要研究的结构部位而变化,做到疏密有致。c) 节点的设置:如果物体在几何形状、材料性质和外部条件没有突然变化的情况下,可以将结构分为相等的单元,否则应该在突变的位置设置节点,如截面尺寸变化较大处,不同材料交界处,外部条件突然变化的位置等。d) 结构的简化:利用结构和载荷的对称性,对焊件的几何模型进行合理的简化,减少部分难控制的因素,减少计算规模。2.1.2 焊接过程温度场有限元分析理论焊接过程中高密度的瞬时热输入,热源的相对运动,热量的辐射和对流等物理现象使得其温度场极为复杂,焊接加热过程又将产生热应力,热应变,还有焊接过程中的结晶,相变都与焊接热过程有关,除此之外,温度场还对之后研究焊件的残余应力有很大影响,所以焊件质量与温度场的分布有很大关系,其数值模拟对控制焊件质量有重要意义。在作温度场的有限元分析的时候,原则上可以进行任何条件的模拟,但是从实际和经济的角度考虑,需要对焊件和热源进行合理简化,这是非常有必要的,简化的时候以下几点可作为参考:1) 简化焊件尺寸,这样建模和网格划分的时候都会比较简单,将划分的单元视为均匀的,连续的,同质的。2) 假定热物性参数不变,如果考虑焊件的热物性参数,计算时间会大幅度提高。3) 假定不考虑相变和结晶潜热,因为相变和结晶潜热的对残余应力的影响相对较小。如此简化之后,可以使最后的温度场表达式更加简单,否则可能无法获得结果或者结果很复杂。1. 三维瞬态热传导方程对于均匀且各向同性的连续体介质,并且其材料特征值与温度无关时,在能量守恒原则的基础上,可得到下面的热传导微分方程Tt=c2Tx2+2Tx2+2Tx2+1cQvt (2-1)式中,为热导率(J/mmsK); c为比热容( JgK);为密度(gmm3);Qv为单位体积逸出或消耗的热能;Qvt为内热源强度。定义热扩散率a=c,并引入拉普拉斯算子2,则上式简化为 Tt=a2T+1cQvt (2-2)热扩散率a标志着不稳定导热时温度均匀化的速度,其单位为cm2/s。与热导率和比热容c一样,a在很多程度上取决于温度值。2. 边界条件边界条件通常有三种:l 第一类边界条件是边界上的温度值为已知条件,其温度恒定或者随时间变化,即:Ts=Tsx,y,z,t (2-3)恒定的边界温度是第一类边界条件的特殊情况。l 第二类边界条件是边界上的热流密度分布已知,即:Tn=qs(x,y,z,t) (2-4)边界上没有热量传输是第二类边界条件的特殊情况,绝热表面上任意点的比热流量以及沿表面法线方向的温度梯度均为零。l 第三类边界条件是边界上物体与周围介质间的热交换已知,即 Tn=(Ts-T0) (2-5)第一种特殊情况是当表面传热系数非常大而热导率很小时,即/ ,表面温度接近于周围介质的温度,此时相当于等温边界条件;第二种特殊情况是当/0时,通过边界表面的热流趋近于零,此时相当于绝热条件。3. 初始条件Sysweld中要模拟温度场的变化,必须给定其初始条件,温度的初始条件是焊接过程开始之前整个物体的温度场情况,这里我们假设焊接开始时外界温度和焊件温度都是室温,即:T=T0一般我们设置室温T0=20。4. 双椭球热源模型通常使用MIG焊焊接高速列车铝合金,而MIG的热源模型我们选择Goldak提出的双椭球热源模型,如下图所示,热源移动方向沿Y轴方向,双椭球热源模型分为前后两个半椭球。图2-1 双椭球模型其热量传输具体表达式为:qfx,y,z=63ffUIab1cexp-3x2a2-3y2b12-3z2c2,y0 (2-6)qrx,y,z=63frUIab1cexp-3x2a2-3y2b22-3z2c2,y0 (2-7)式中:电弧热效率;I为焊接电流;U为电弧电压;, ff ,f r分别为总的输入功率在熔池前、后两部分的分配系数;a,b1,b2,c分别为双椭球热源分布参数;这些参数可根据经验以及试验结果确定。2.1.2 焊接过程应力场有限元分析理论由于高密度的瞬态热输入,导致焊件温度不均匀,在焊接过程中和焊接之后将得到较大的应力和变形,SYSWELD中焊接应力和变形的计算都是以温度场作为基础。现在,研究焊接应力和应变的理论很多,如固有应变法、固有塑性分析、考虑相变与热应力耦合效应、热弹塑性分析等。其中热弹塑性分析是在焊接热循环过程中通过一步步跟踪热应变行为来计算热应力和应变的,该方法需要在计算机上采用有限元数值模拟的方法实现,采用这种方法可以准确地得到焊接过程中焊接应力和应变的变化过程,随着现在大型商用有限元模拟软件的发展和完善,热弹塑性分析已经被越来越广泛地使用。应力超过屈服极限以后应力应变曲线成非线性,即应力应变没有一一对应的关系,应力状态不但和应变状态有关,而且还依赖整个应变过程。基于这一特点,焊接残余应力分析时期塑性理论应为增量理论,增量理论以应力和应变增量为基础,建立他们之间的本构关系,并通过累积求得总的应变和总的应力28。利用热弹塑性分析的时候,考虑到焊接应力应变场存在材料非线性、几何非线性等问题,为了计算结果的准确性,需要作出以下假设:1、 材料的屈服准则:该准则规定材料开始塑性变形的应力状态,计算出一个当值的等效应力,并与屈服强度比较以确定材料屈服的时间,在应力应变曲线中,低于屈服点的为表现为弹性变形,高于屈服点的表现为塑性变形。在金属材料的有限元分析中,一般采用米赛斯(von mises)屈服准则,该准则从能量的角度设定金属塑性变形的临界条件;2、 塑性区内的塑性流动准则:当材料应力值高于屈服极限时,材料发生塑性变形,塑性变形的流动方向就需要使用流动准则来确定,一般使用米赛斯(von mises)流动准则;3、 强化准则:该准则描述了初始屈服时材料变形随着塑性应变的发展规律,在Sysweld中有等向强化模型和随动强化模型两种计算模型;4、 弹性应变、塑性应变与温度变化是密不可分的;5、 与温度有关的力学性能、应力应变存在微小的时间增量内线性变化。2.2 软件应用SYSWELD软件包括了热冶金分析、力学分析和氢扩散,可以完全实现机械、热传导和金属冶金的耦合计算,所以其应用十分广泛,本文基于SYSWELD软件平台对高速列车铝合金的焊接温度场与应力场进行有限元数值模拟计算,首先需要对该软件的各个模块及功能有一个大致了解,然后熟悉需要使用模块的操作流程和注意事项。SYSWELD拥有强大的焊前设置模块,建立好模型并划分网格,校核好热源模型,通过Welding Advisor设置相关参数,生成焊前处理文件.prj,再用SYSWELD计算得到焊接温度场和应力场的结果,利用Postprocessing的Display模块得到点的温度值和应力值。本章就根据数值模拟的流程简单介绍SYSWELD的模型建立和网格划分,热源模型校核,Welding Advisor,后处理几个部分。2.2.1 模型建立和网格划分对于形状简单的零件,可以在visual-mesh里面直接建立模型,进行网格划分。对于复杂的模型,需要先在CAD,Solidworks或者Pre_E等三维建模软件中画出零件的3维几何图形,保存为.igs或者.iges文件然后导入visual-mesh软件进行网格划分。Visual-mesh的菜单命令中的Curve,Surface,Volume,Node是用来创建几何体的命令,接下来的1D,2D,3D是用来创建1维,2维,3维网格的命令。1. 简单焊件的网格创建步骤(1) 建立节点nodes(2) 生成面surface(3) 网格生成a) 生成2D mesh 用于生成3D网格b) 拉伸3D mesh 用于定义材料赋值及焊接计算c) 提取2D mesh表面网格 用于定义表面和空气热交换d) 生成1D 焊接线,参考线 用于描述热源轨迹(4) 添加网格组a) 开始点,结束点,开始单元 用于描述热源轨迹b) 装夹点 用于定义焊接过程中的装夹条件2. 网格划分注意事项(1) 模型的网格数量网格数量的多少决定计算时间的长短和计算结果的精度。一般来说,网格数量增加,计算精度就会相应提高,但同时计算时间也会相对变长。计算时间的长短又和计算机配置有相当大的关系,一般运行如SYSWELD、ANSYS等有限元分析软件的计算机配置都要求比较高,本论文数值模拟计算所用的计算机配置是八核处理器、24G内存,基本能够满足一般有限元模拟运算。(2) 模型的单元大小模型的单元大小和网格数量有一定关系,同样尺寸的模型,如果网格数量越大,单元就越小,如果网格数量越小,单元就越大。(3) 不同部位的单元大小如上所述,既要考虑网格数量太大对计算规模和计算时间的影响,又要兼顾到网格单元太大对计算精度的影响,我们可以采取不同部位不同网格大小的方法达到一个较为理想的状态,既保证运算时间不致过长,由保证我们所需要的结果准确性。如图2-2所示,一个平板对接的网格划分模型如下,我们主要观察焊缝、热影响区和部分母材的温度场和应力场的数据变化规律,所以划分网格的时候可以将这部分区域单元格划分密集一些,从而得到准确的结果,而不需要过多关注的位置则无必要划分太细的网格。图2-2 疏密有致的网格模型(4)划分网格时需要定义相应焊接线(WL)、参考线(RL)、开始点(SN),结束点(EN)、开始单元(SE)、装夹点等,描述焊接热源轨迹和装夹点,为之后设置焊接向导做准备。2.2.2 热源调节在实际的焊接过程中,焊接热源不仅提供熔化金属的热量,而且电弧还对熔池部分具有冲击搅拌等作用,从而促进熔池金属成分均匀化。焊接热源模型决定着热量输入和构件接受热源的面积,将影响整个构件的温度分布。焊接模拟分析结果是否能准确反映实际焊接情况很大一部分取决于在进行焊接模拟过程中的热源模型的选择是否合适。本文中,用于高速列车铝合金焊接的是MIG焊,而MIG的热源模型经过科学家多年的研究和证实是双椭球热源模型,所以本节就以双椭球热源模型焊接两块尺寸为250mm*90mm*4mm的5083板材对接接头为例说明热源调整的过程和注意事项,型号为5083的铝合金是高速列车常用的材料。热源模型的建立在SYSWELD里面使用热源校核工具界面,界面打开方法如图2-3所示。图2-3 Welding Advisor界面热源校核的实际操作步骤如下:1. 建立网格此步骤的目的是建立焊缝周围的网格模型,对于T型焊缝,搭接焊,对接焊可以直接在SYSWELD上选择系统自带的模板文件。本次以对接焊缝为例,操作方法如图2-4所示,第六步直接选择butt_joint_wld_prf.cmd,点击OK,生成如图2-5所示界面。图2-4 选择对接接头步骤图2-5 网格模型建立界面如图2-5所示,按顺序依次点击第一个parameters,得到图2-6,设置相关参数,保存后再点击第二个parameters,得到图2-7,同样设置相关参数保存后,点击第二个creat mesh,生成一个三维网格模型如图2-8所示。图2-6 二维模型参数界面 图2-7 三维模型参数界面图2-8 生成三维网格模型2. 加载焊件材料加载焊件材料之前,需要加载材料数据库,如图2-9所示,点击焊件专用的材料数据库welding.mat,成功加载之后再按照图2-10所示操作,分别给C1_3D,C2_3D和BEAD加载材料,本例中我们为三个部分都加载S
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