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焊接仿真技術應用與未來發展

2017-08-07 13:35:03 瀏覽次數:


焊接是一種歷史悠久的制作工 藝,一起也是使用最廣泛的資料銜接 方法之一。我國是鋼鐵產銷大國,同 樣也是焊接使用大國。當時的焊接 使用中還存在許多落后的工藝方法, 將現代焊接數值仿真技能使用于傳 統的焊接工藝,使用先進的計算機數 值模仿技能改造傳統的焊接工藝,對 加快我國焊接信息化與工業化的進 程有著非常重要的含義。




焊接模仿技能現狀


焊接數值模仿技能的開展是跟著焊接實踐經歷的堆集,有限元數值 模仿技能、核算機技能等的開展而逐 步開端的。焊接工藝的仿真,首要是 針對焊接溫度場、剩余應力、變形等 幾個方面,旨在改進焊接部件的制作 質量,進步產品執役功用,優化焊接 次序等工藝進程。傳統焊接質量的 好壞十分依賴于焊接工人的經歷,而 焊接數值模仿技能就是利用數值模 擬辦法找到優化的焊接工藝參數,例 如焊接資料、溫控條件、夾具條件、焊 接次序等。 
現在,焊接范疇數值模仿的目標 大致有以下幾個方面:
1) 焊接溫度場的數值模仿。其 中包含焊接傳熱進程、熔池 構成和演化、電弧物理現象 等。 
2) 焊接金屬學和物理 進程的模仿。包含熔化、凝 固、安排改變、成分改變、晶 粒的長大、氫分散等。
3) 焊接應力與變形的 數值模仿。包含焊接進程中應力、應變的改變和剩余應力、剩余 應變等。 
4) 焊接接頭的力學行為和性 能的數值模仿。包含開裂、疲憊、力 學不均勻性、幾許不均勻性及安排、 結構、力學功用等。 
5) 焊縫質量評價的數值模仿。 包含裂縫、氣孔等各種缺點的評價及 猜測。 
6) 詳細焊接工藝的數值模仿。 例如電子束焊接、激光焊接、離子弧 焊接、電阻焊等。 
常用的焊接數值模仿辦法有: 差分法、有限元法和蒙特卡洛法。經 過多年的開展,有限元數值模仿技能已經成為焊接數值仿真的干流辦法, 由于焊接最為關懷的是變形和剩余 應力的操控,而有限元辦法在這方面 有著顯著的優勢。 

現在焊接仿真軟件有兩類。一 類是通用結構有限元軟件,例如 MARC, ABAQUS, ANSYS 等, 首要是考慮焊接的熱物理進程,進行 熱-結構耦合剖析,得到變形和剩余 應力成果。關于焊接研究者來說,需 要操控和界說的內容許多,因而需對 通用軟件有很深的運用功底和較強 的專業知識才能更好地掌握成果的 精度和含義;另一類就是焊接專用 有限元軟件,例如 SYSWELD。專業 焊接軟件的特點是針對性更強,專門 設有針對焊接工藝的界面和模型,比 較便利界說焊接途徑和熱源模型,并 且成果精度會更高一些,關于焊接研 究者來說,比較簡單學習和運用。 

總之,這些軟件大都可以進行二 維和三維的電、磁、熱、力等各方面線 性和非線性的有限元剖析,有較強的 模型處理和網格區分才能,而且具有 比較直觀而強壯的后處理功用。因而,焊接作業者可以充分利用上述軟 件而無需自己從頭編制模仿軟件,必 要時加上二次開發,即可得到需求的 成果,這就顯著地加快了焊接模仿技 術開展的進程。

焊接工藝數值仿真觸及的學科 

對工業部門來說,焊接工程可以 分為 4 個首要的運用學科:變形工程、焊接質量工程、應力工程 和溫度操控工程。
1)變形工程。 
首要是操控并使變形最 小。經過優化安裝工藝,降 低制作成本,降低縫隙閉合 力,減小夾具力的偏差。 
2)焊接質量工程。
首要是進步焊接質量, 優化執役特性。首要經過下 面兩個方面來進行操控: 
操控冷卻速率、微觀安排和硬 度對全體資料和結構特性的影響; 
操控氫的分散。 例如,對再結晶鋼,需求操控最 大和最小冷卻速率。過高的冷卻速 率會導致過多的馬氏體,過低的冷卻 速率又將導致晶粒粗糙,過高的硬度 可能導致裂紋和執役失效。
3)應力工程。 
首要是兩個方面的作業: 
操控圍繞連接處部分的剩余應 力; 
操控所規劃的焊接結構全體應 力。
進行應力操控可以完成以下功 能:減重;增強焊接結構疲憊功用; 改進焊接質量;削減貴重的效勞問 題。例如,為了避免裂紋和失效,能 源和核工業中須操控多道焊接的殘 余應力。 
4)溫度操控工程。 
操控易損靈敏設備的溫度場,避 免由于焊接熱效應而導致設備的失 效。

焊接工藝數值仿真的典型運用 

焊接進程數值模仿中,熱源擬 合、溫度場的模仿是最基本的作業, 然后就是應力和變形的模仿。溫度 場的模仿起步較早,也堆集了比較豐 富的經歷,在實踐生產中得到了必定 的運用。 
1 、焊接溫度場的模仿 
溫度場的模仿是對焊接應力、應 變場及焊接進程其他現象進行模仿 的基礎,經過溫度場的模仿我們可以 判別固相和液相的分界,可以得出焊 接熔池形狀。焊接溫度場準 確模仿的關鍵在于供給精確 的資料特點,熱源模型與實踐 熱源的擬合程度,熱源移動路 徑的精確界說,邊界條件是否 設置恰當等。與通用軟件相 比,專業焊接軟件運用起來更 加便利,削減了通用軟件許多 操作時刻。例如 SYSWELD 中設有多種焊接熱源模型可 供運用者挑選:雙橢球(Goldak)熱 源模型適于 TIG,MIG 焊接,圓錐 (Conical)熱源模型適于激光、電子 束等焊接;而且具有熱源校準功用, 使熱源的擬合盡可能與實踐情況相 符合。 
2 、焊接應力與變形的仿真
焊接應力與變形問題可以分為 兩類:一是焊接進程中的瞬態應力 應變剖析;二是焊接后的剩余應力與應變核算。對后者進行剖析核算 的較多,首要是為了削減剩余應力, 操控變形,避免缺點的產生。經過幾 十年的開展,應力與變形的核算日益 老練,成果的精度也在不斷進步。
1)改進了核算辦法的功率和 穩定性,核算速度更快,收斂性更好。 有許多程序運用了并行核算功用,進 一步提升了核算速度,模型也考慮得 愈加精細。 
2)深入研究了焊接應力與變 形的影響要素。例如資料特點隨溫 度改變,焊接接頭幾許形狀,焊縫道 數,不同的焊接辦法等。
關于焊接部分模型,存在十分強 烈的非線性特征,資料經過高溫、相 變、冷卻后會有剩余應力,因而需求 對部分進行詳細模仿。而關于全體 結構而言,可能又體現為彈性變形, 所以線彈性剖析就夠了。關于多道 焊接問題,選用先部分,再全體,將局 部模型的內力映射到全體模型上的 辦法具有很大優勢,可以快速得到整 體模型的應力和變構成果。如果對 應全體模型完全依照部分模型的細 節進行仿真,可能核算量會大得無法 接受,事實上也沒有必要。 
3、 焊接工藝的優化
適宜的焊接工藝十分有助于減 少焊接結構的變形和剩余應力,因而 挑選適宜的焊接資料、夾具條件、焊 接次序、冷卻速率操控等,就可以優 化焊接結構,進步焊接質量,延長結 構執役壽數,降低成本。因而根據焊 接數值仿真的焊接結構規劃將發揮重要的效果。

焊接數值模仿技能的未來開展趨勢

焊接數值模仿軟件朝著集成化、 專業化、工程化等方向開展。
所謂集成化,是指焊接數值模仿 將結合焊接工藝庫、專家經歷與知識 庫、資料數據庫,功用變得越來越豐 富和強壯,仿真才能更強,運用也更 加便利。 

所謂專業化,是指焊接模仿軟件 不斷細化,將各種類型的焊接仿真技 術模塊化,構成適于各種類型焊接工 藝的模板庫。例如點焊東西、激光焊東西、電子束焊接東西、釬焊東西、攪 拌摩擦焊東西等。

所謂工程化,是指仿真的成果更 便利為工程實踐所運用。經過焊接 仿真,找到優化的焊接工藝參數和焊 接次序,挑選適宜的焊接資料,融入 更多焊接實踐工程經歷,包含堆集的 資料數據庫等。 

焊接是一門傳統的制作工藝,但 是詳細的焊接辦法卻仍然在不斷發 展更新,相應地,焊接數值模仿辦法 也會隨之不斷開展完善。信任根據 焊接數值仿真的焊接結構規劃在國 內將會有越來越多的運用。


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