低合金鋼焊接接頭仿真分析

1、畢 業(yè) 論 文 學(xué)生姓名： xxx 學(xué) 號(hào)： xxxxxxxxx 學(xué) 院： 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè)： 材料成型及控制工程 題 目： 低合金鋼焊接接頭的仿真分析 指導(dǎo)教師： xxx 評(píng)閱教師： 2014 年 6 月河北科技大學(xué)畢業(yè)論文成績(jī)?cè)u(píng)定表姓 名xxx學(xué) 號(hào)xxxxxxxxx成 績(jī)專 業(yè)材料成型及控制工程題 目低合金鋼焊接接頭的仿真分析指導(dǎo)教師評(píng)語及成績(jī) 指導(dǎo)教師： 年 月 日評(píng)閱教師評(píng)語及成績(jī) 評(píng)閱教師： 年 月 日答辯小組評(píng)語及成績(jī)答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日答辯委員會(huì)意見 學(xué)院答辯委員會(huì)主任： 年 月 日畢 業(yè) 論 文 中 文 摘 要本課題基于有限元分析軟件sysweld，結(jié)合低合金

2、鋼的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊焊接方法和工藝，對(duì)q345d平板對(duì)接焊接接頭進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得出了不同焊接速度下試件的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布云圖。由溫度場(chǎng)云圖可以看出整個(gè)焊接過程中，隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，試件上的最高溫度越來越高,最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此外從結(jié)果中還能得到沿焊縫節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線和垂直焊縫方向的熱循環(huán)曲線。沿焊縫方向的節(jié)點(diǎn)，它們的溫度熱循環(huán)曲線特征相似，說明它們都進(jìn)入了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。除此之外，這些曲線的加熱速率要大于冷卻速率。 從結(jié)果中還可以得到焊縫溫度與組織的演變關(guān)系，隨著溫度的變化，其組織也發(fā)生變化，而且這些組織的變化成比例關(guān)系。本文中焊縫最終獲得的組織為貝氏體、馬氏體和極少量殘余奧氏體,其中貝氏

3、體占絕大部分。在將不同焊接速度下焊縫最后獲得的組織進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，隨著焊接速度的增加，貝氏體含量減少，馬氏體和奧氏體的含量有所增加。關(guān)鍵詞：sysweld； q345d低合金鋼； 溫度場(chǎng)；熱循環(huán)曲線；組織成分畢 業(yè) 論 文 外 文 摘 要title simulation of low alloy steel welding jointabstractthis topic is based on the finite element analysis software sysweld, combined with carbon dioxide welding method and craft o

4、f low alloy steel welding, three-dimensional numerical simulation was carried out on the plate butt joint of q345d, the transient temperature field distribution nephogram of the test specimen under different welding speed is obtained. from the temperature field distribution nephogram we can see duri

5、ng the whole welding process, as the extension of welding time, the top temperature is more and more high, finally reach a steady state.from the result also can get thermal cycle curves of nodes along the weld and thermal cycle curves vertical direction of the weld .the nodes of along the weld, thei

6、r temperature thermal cycle curves characteristics are similar, they all entered the quasi steady state temperature field.in addition, the curves heating rate is greater than the cooling rate. from the results we also can get the evolution relationship of temperature and organization, if change the

7、temperature, the group is also changing, and the change of organization is present to the proportional relation.in this article, the weld finally get organization is bainite, martensite and a small amount of residual austenite,the bainite is most. comparison the last weld phase under different weldi

8、ng speed, we can found with the increase of welding speed, bainite content decreased, the content of martensite and austenite increases.keywords sysweld;q345d low-alloys teels.temperature field;thermal cycle curve;group composition目 錄1 緒論11.1 選題背景11.2 焊接模擬技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展11.3 焊接溫度場(chǎng)的研究歷史與發(fā)展21.4 焊接接頭組織的模擬方法

9、和研究現(xiàn)狀31.5 課題研究的意義41.6 本文的主要研究?jī)?nèi)容41.7 本文所使用軟件sysweld軟件介紹51.8 建立模型使用軟件viualmesh簡(jiǎn)介51.9 本章小結(jié)62 低合金鋼q345d焊接接頭的模擬過程72.1 平板對(duì)接幾何模型的建立和網(wǎng)格的劃分72.2 熱源校核92.3 低合金鋼焊接接頭模擬前處理設(shè)置132.4 計(jì)算前的檢查142.5 后處理143 低合金鋼q345d焊接接頭模擬結(jié)果153.1 低合金鋼q345d的焊接性分析153.2 低合金高強(qiáng)鋼q345d的焊接工藝要點(diǎn)153.3 材料物理性能參數(shù)和焊接工藝規(guī)范163.4 焊接溫度場(chǎng)和焊縫組織模擬結(jié)果分析163.5 本章小結(jié)2

10、8結(jié)論29致謝30參考文獻(xiàn)311 緒論1.1 選題背景焊接是指通過加熱或者加壓，或者二者并用，并且采用或不采用填充材料，使工件的材質(zhì)達(dá)到原子間結(jié)合而形成永久性連接的一種工藝方法。但是焊接時(shí)一個(gè)涉及到多學(xué)科的復(fù)雜的物理-化學(xué)現(xiàn)象。傳統(tǒng)的焊接過程依賴于試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)曲線或經(jīng)驗(yàn)公式。在研究焊接生產(chǎn)技術(shù)時(shí)，往往采用試驗(yàn)手段作為基本方法，但事實(shí)證明單憑積累工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)來深入了解和控制焊接過程則既不切實(shí)際又成本昂貴并且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其是在大型重要焊接結(jié)構(gòu)制造過程中，客觀條件不允許我們做很多次試驗(yàn)，這時(shí)數(shù)值模擬就發(fā)揮了它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過計(jì)算機(jī)軟件來模擬焊接過程從而了解和控制它已成

11、為解決現(xiàn)代工程學(xué)問題必不可少的有力工具1。焊接過程中的相變過程直接影響焊縫的組織和成分分布，而焊接接頭組織的變化將會(huì)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度和韌性的變化，從而使焊接接頭成為整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位。這將直接影響到焊接構(gòu)件的承載能力和使用壽命。而焊接過程中溫度的劇烈變化是影響焊接接頭組織和機(jī)械性能的主要原因，因此，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬研究對(duì)獲得高質(zhì)量的焊件有著重要意義。通過模擬焊接接頭的組織，可以預(yù)測(cè)在不同焊接方法和工藝參數(shù)下接頭的組織形態(tài)和力學(xué)性能，從而實(shí)現(xiàn)尋求最佳焊接工藝來改善焊件性能的目的。因此，焊接過程組織模擬對(duì)優(yōu)化焊接工藝具有重要意義2。1.2 焊接模擬技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展1.2.1 焊接模擬技術(shù)理

12、論來源焊接數(shù)值模擬， 是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)， 采用一組控制方程來描述一個(gè)焊接過程或一個(gè)焊接過程的某一個(gè)方面， 采用分析或數(shù)值方法求解以獲得該過程的定量認(rèn)識(shí)( 如焊接溫度場(chǎng)、焊接熱循環(huán)、焊接haz 的硬度、焊接區(qū)的強(qiáng)度、斷裂韌性等) 。焊接數(shù)值模擬的關(guān)鍵是確定被研究對(duì)象的物理模型及其控制方程(本構(gòu)關(guān)系）。常用的焊接數(shù)值模擬方法有：解析法，即數(shù)值積分法、差分法、有限元法和蒙特卡洛法3。焊接數(shù)值模擬的現(xiàn)實(shí)意義在于， 通過對(duì)焊接現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬，可以通過做很少的試驗(yàn)來優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)， 提高焊接接頭的質(zhì)量。有限元法起源于20世紀(jì)50年代航空工程中飛機(jī)結(jié)構(gòu)的矩陣分析，現(xiàn)在它已被用來求解幾乎所有的連續(xù)

13、介質(zhì)和場(chǎng)的問題。在焊接領(lǐng)域，有限元法已經(jīng)廣泛的用于焊接熱傳導(dǎo)、焊接熱彈塑性應(yīng)力和變形分析、焊接結(jié)構(gòu)的斷裂力學(xué)分析等4。經(jīng)過多年的發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為焊接數(shù)值仿真的主流方法，因?yàn)楹附幼顬殛P(guān)心的是變形和殘余應(yīng)力的控制，而有限元方法在這方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)5。因此本次課題研究采用有限元分析方法來進(jìn)行焊接接頭的仿真模擬。1.2.2 焊接模擬技術(shù)在國(guó)內(nèi)外發(fā)展研究現(xiàn)狀1962 年， 丹麥人首次使用計(jì)算機(jī)有限差分法進(jìn)行鑄件凝固過程的傳熱計(jì)算，從70年代開始， 有限差分法逐漸從鑄造向鍛壓、熱處理、焊接等方向擴(kuò)展。到70年代，有限元分析法開始得到應(yīng)用，日本的上田幸雄等首先以有限元為基礎(chǔ)，提出了材料力學(xué)

14、性能與強(qiáng)度有關(guān)的熱彈塑性分析理論。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，焊接有限元計(jì)算也有了很大的進(jìn)展。而我國(guó)焊接界有限元模擬研究開始于80年代初，模擬的內(nèi)容主要是二維溫度場(chǎng)或薄板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，進(jìn)入90年代，三維溫度場(chǎng)的模擬開始起步。而焊接有限元模擬的領(lǐng)域也已經(jīng)拓展到了熔池反應(yīng)、凝固、固態(tài)相變、焊接接頭的性能等各個(gè)方面6。相關(guān)軟件方面，國(guó)外目前專門做有限元分析軟件的公司有幾十家，現(xiàn)在已經(jīng)商業(yè)化的大型通用有限元工具軟件有nastran、marc、abaqus、ansys等，還有專門用于分析焊接現(xiàn)象的軟件，如sysweld（法）、hearts（日）以及quick welder（日）等。相比于國(guó)外，國(guó)產(chǎn)有限元軟件僅

15、有fepg，jfex，kmas等功能較單一的軟件，無法處理大型有限元分析問題7。目前焊接數(shù)值模擬軟件正在朝著集成化、專業(yè)化、工程化等方向發(fā)展。1.3 焊接溫度場(chǎng)的研究歷史與發(fā)展20世紀(jì)30年代早期，h.雷卡林，d.rosenthal h等采用解析法研究焊接熱過程，建立了焊接傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)8。但是解析法的假設(shè)太多，不能提供焊接熱影響區(qū)的精確計(jì)算結(jié)果。因此在20世紀(jì)60、70年代，相繼引入了有限差分法（fdm）和有限元法（fem），解決了復(fù)雜焊接現(xiàn)象的計(jì)算問題。加拿大的z.paley考慮了材料熱物理性能與溫度的關(guān)系，并將熔化區(qū)內(nèi)的單元作為加熱的熱源來處理，采用差分法編制了可以分析非矩形截面以及常

16、見的單層、雙層u、v型坡口的焊接傳熱計(jì)算機(jī)程序9。但是差分法僅僅只能用于劃分規(guī)則的網(wǎng)格（正方形、矩形、正三角形等），對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)就不再適用。由于溫度場(chǎng)的計(jì)算往往服務(wù)于熱應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算，采用有限元法便于把兩者統(tǒng)一起來；因而，有限元法在焊接數(shù)值模擬中的應(yīng)用越來越廣泛10。1966年wilson和nickel首次把有限元法用于固體熱傳導(dǎo)的分析計(jì)算中。在國(guó)際上1976年美國(guó)g.w.krutzy在其博士論文中，用有限元法建立了二維焊接溫度場(chǎng)的計(jì)算模型，并考慮了相變潛熱問題。有代表性的是加拿大學(xué)者j.goldak提出的雙橢球熱源模式。在國(guó)內(nèi)，1981年西安交通大學(xué)唐慕堯等首先用有限元法計(jì)算了薄板準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)焊接

17、溫度場(chǎng)。之后，上海交通大學(xué)提出了求解非線性熱傳導(dǎo)方程的變步長(zhǎng)外推法，建立了焊接溫度場(chǎng)的有限元計(jì)算模型和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，并對(duì)脈沖tig焊接溫度場(chǎng)、局部干法水下焊接溫度場(chǎng)等問題進(jìn)行了成功的實(shí)例分析11。對(duì)于三維問題，國(guó)內(nèi)外也是近十年來才開始研究。汪建華等人和日本大阪大學(xué)合作探究了三維焊接溫度場(chǎng)的特點(diǎn)和提高精度的若干途徑12。2001年清華大學(xué)趙海燕等13利用分段移動(dòng)的帶狀高斯熱源模型和單元死活技術(shù)對(duì)多層焊及焊縫金屬熔敷進(jìn)行了數(shù)值模擬，并且利用并行計(jì)算技術(shù)大大提高了計(jì)算效率，在實(shí)際應(yīng)用中等到了滿意的結(jié)果。1.4 焊接接頭組織的模擬方法和研究現(xiàn)狀整個(gè)焊接過程中，溫度快速升高和快速降低，這樣急劇的變化

18、使焊接接頭的組織也跟著發(fā)生急劇的變化，這樣就使接頭的強(qiáng)度和韌性發(fā)生變化。由于焊接過程的復(fù)雜性，不能直接建立物理模型和數(shù)學(xué)模型。為了能夠動(dòng)態(tài)地再現(xiàn)焊接接頭的組織變化過程，人們希望能夠?qū)附訙囟葓?chǎng)及其組織進(jìn)行模擬，隨著人們對(duì)焊接過程的了解和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，組織模擬取得了很大的發(fā)展，通過溫度場(chǎng)和組織模擬，可以預(yù)測(cè)焊接接頭的微觀形貌、各相的比例。焊接接頭的組織模擬主要涉及熱影響區(qū)的晶粒生長(zhǎng)、相變和擴(kuò)散，及熔池內(nèi)液態(tài)金屬凝固過程中的形核與生長(zhǎng)，溶質(zhì)再分配等14。oldfield于1966年根據(jù)金屬的傳熱及形核生長(zhǎng)理論建立了晶粒生長(zhǎng)模型14。焊接領(lǐng)域里，組織模擬起步相對(duì)較晚，但近10年的發(fā)展非常迅速

19、。haidemenopoulos通過將熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型耦合，模擬激光焊中haz擴(kuò)散相變過程，計(jì)算焊接熱過程中強(qiáng)化相的體積分?jǐn)?shù)及平均晶粒尺寸14。huziker等人則根據(jù)部分解析法所預(yù)測(cè)出的熱循環(huán)曲線來計(jì)算焊縫中心線處晶粒生長(zhǎng)情況15。基于概率模型的monte carlo(mc)方法及cellular automaton(ca)方法在模擬晶粒生長(zhǎng)時(shí)，能量上的計(jì)算方法均是以晶粒生長(zhǎng)物理原理為基礎(chǔ)，按照概率的方法通過自由能增量進(jìn)行計(jì)算。而目前應(yīng)用于組織模擬的另一種方法-相場(chǎng)法，則在能量守恒的基礎(chǔ)上通過計(jì)算組織轉(zhuǎn)變過程中界面形態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)組織模擬14。目前這幾類方法都已得到了廣泛的應(yīng)用。但是目前在這

20、方面的研究仍然存在一些問題，改進(jìn)的方向主要有：（1）尋求優(yōu)化的三維組織模擬模型，提高計(jì)算速度和計(jì)算精度；（2）實(shí)現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大過程的動(dòng)態(tài)再現(xiàn)功能。（3）實(shí)現(xiàn)一模多用，即一個(gè)模型通過改變相關(guān)參數(shù)進(jìn)而能夠用于其他模型的計(jì)算。1.5 課題研究的意義兩焊件相對(duì)平行的接頭稱為對(duì)接接頭，這種接頭從力學(xué)角度看是較理想的接頭型式，受力狀況較好，應(yīng)力集中較小，能承受較大的靜載荷或動(dòng)載荷，是焊接結(jié)構(gòu)中采用最多的一種接頭型式，基本上在所有的焊接領(lǐng)域都有應(yīng)用。與t型焊接接頭相比，其溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)要簡(jiǎn)單的多，擁有對(duì)稱性。目前對(duì)對(duì)接焊接接頭的數(shù)值模擬比較多，相關(guān)的研究資料也比較豐富，對(duì)于我們這些剛剛學(xué)會(huì)使用sysweld軟件

21、的初學(xué)者來說，有著一定得指導(dǎo)意義。本論文研究目的在于通過采用sysweld軟件來模擬不同焊接參數(shù)下形成的低合金鋼焊接接頭的組織特點(diǎn)和其焊縫組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，從而通過控制熱輸入，達(dá)到控制低合金鋼組織得到優(yōu)質(zhì)焊接接頭。這樣在實(shí)際低合金鋼的焊接工程中就可做到通過控制這些焊接參數(shù)，獲得合理的焊接熱循環(huán)以保證獲得優(yōu)質(zhì)接頭和焊接結(jié)構(gòu)件安全，同時(shí)避免以往僅憑經(jīng)驗(yàn)控制焊接參數(shù)最后再檢驗(yàn)焊接性能的盲目性了。因此對(duì)低合金鋼焊接接頭的仿真模擬是具有其現(xiàn)實(shí)價(jià)值的。1.6 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文采用數(shù)值模擬軟件sysweld對(duì)q345d平板對(duì)接焊接接頭進(jìn)行仿真模擬。內(nèi)容主要有以下幾點(diǎn)： （1）對(duì)sysweld軟件的操作過

22、程進(jìn)行了說明，為了改善和提高模擬的精確性，采用了適宜于co2焊的雙橢球體熱源模型，使用sysweld自身具有的熱源校核工具，輸入選定的的焊接工藝參數(shù)和s355j2g3的部分熱物理性能參數(shù)對(duì)熱源進(jìn)行了校核。 （2）對(duì)對(duì)接接頭焊件進(jìn)行三維有限元建模。由于本課題主要是研究溫度場(chǎng)。因此只進(jìn)行溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬計(jì)算。 （3）對(duì)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，得出溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化云圖、沿焊縫方向和垂直焊縫方向的點(diǎn)的熱循環(huán)曲線和焊縫組織在不同焊接速度下的變化特點(diǎn)。1.7 本文所使用軟件sysweld軟件介紹sysweld的開發(fā)最初源于核工業(yè)領(lǐng)域的焊接工藝模擬，當(dāng)時(shí)核工業(yè)需要揭示焊接工藝中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，以便提前預(yù)測(cè)裂

23、紋等重大危險(xiǎn)。在這種背景下，1980年，法國(guó)法碼通公司和esi公司共同開展了sysweld的開發(fā)工作。由于熱處理工藝中同樣存在和焊接工藝相類似的多相物理現(xiàn)象， 所以sysweld很快也被應(yīng)用到熱處理領(lǐng)域中并不斷增強(qiáng)和完善。隨著應(yīng)用的發(fā)展，sysweld逐漸擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，并迅速被汽車工業(yè)、航空航天、國(guó)防和重型工業(yè)所采用。1.7.1 sysweld軟件特點(diǎn)sysweld軟件融合了材料的cct曲線，從而利用該軟件可以分析焊接過程中接頭的組織 。它還考慮了晶相轉(zhuǎn)變、晶相轉(zhuǎn)變潛熱以及晶相組織對(duì)溫度的影響。計(jì)算的時(shí)候需要先計(jì)算溫度場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算。因?yàn)闇囟葓?chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的結(jié)果有影響。為方

24、便專業(yè)使用，sysweld提供了三種簡(jiǎn)便適用的工藝操作向?qū)?焊接向?qū)?、熱處理向?qū)Ш秃附友b配向?qū)А崽幚硐驅(qū)Э梢阅M淬火、回火、滲碳、滲氮及碳氮共滲等熱處理過程，同時(shí)可計(jì)算熱處理件的硬度及其分布狀態(tài)；焊接向?qū)苣M一些常見的焊接方法的焊接過程；焊接裝配向?qū)苣M分析復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力應(yīng)變。經(jīng)過長(zhǎng)期的合作開發(fā)和工業(yè)驗(yàn)證，sysweld的材料數(shù)據(jù)庫(kù)包含了各種常用鋼材、有色金屬、淬火介質(zhì)和典型工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)。通過應(yīng)用visual mesh幾何網(wǎng)格工具，sysweld可以直接讀取ug，catia的數(shù)據(jù)以及接受各種標(biāo)準(zhǔn)交換文件（acis，stl， vda， iges，step等等）。它能夠與大部分c

25、ae數(shù)據(jù)接口，兼容大部分cae系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型。1.7.2 sysweld軟件的分析步驟sysweld軟件進(jìn)行焊接溫度場(chǎng)模擬時(shí)，基本的步驟有5個(gè)：模型的建立和離散化、熱源校核（前處理）、焊接向?qū)c檢查、求解計(jì)算、計(jì)算結(jié)果后處理與結(jié)果分析。其中最為關(guān)鍵的步驟是模型的建立和離散化與前處理，這兩個(gè)步驟處理的結(jié)果直接決定了計(jì)算時(shí)間、計(jì)算精度和計(jì)算結(jié)果。流程圖見圖1.1。1.8 建立模型使用軟件viualmesh簡(jiǎn)介visual-mesh是visual-weld進(jìn)行焊接仿真分析的重要工具，兼容了ug、pro-e等三維制圖cad軟件。它利用自動(dòng)劃分網(wǎng)格，sweep面拉伸和體拉伸等，能夠支持cad輸出，生成2

26、d和3d網(wǎng)格，還可以編輯圖像。通過map、3d、thransform、鏡像等高級(jí)的命令對(duì)略微復(fù)雜的工件能夠進(jìn)行網(wǎng)格劃分。另外，在用戶指導(dǎo)以及自動(dòng)處理下，visual-mesh基于網(wǎng)格拓?fù)涮峁┝薭atch-meshing 實(shí)用程序16。模型的建立與離散化熱源校核（前處理）焊接向?qū)c檢查求解計(jì)算計(jì)算結(jié)果后處理與結(jié)果分析 圖1.1 sysweld模擬流程圖1.9 本章小結(jié)本章主要闡述了課題研究的背景和意義、焊接瞬態(tài)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展、焊縫組織的模擬方法和研究現(xiàn)狀，并且提出了研究的主要內(nèi)容。并且簡(jiǎn)要的介紹了一下sysweld軟件的發(fā)展歷程，例舉了一下它可以實(shí)現(xiàn)哪些功能，又簡(jiǎn)單介紹了一下它

27、的分析步驟。同時(shí)簡(jiǎn)單介紹了一下visual-mesh在模型建立和網(wǎng)格劃分方面的獨(dú)特之處。2 低合金鋼q345d焊接接頭的模擬過程2.1 平板對(duì)接幾何模型的建立和網(wǎng)格的劃分幾何模型的建立是進(jìn)行數(shù)值模擬的第一步，它的形狀與焊件的形狀、尺寸大小、載荷施加方式以及熱源在焊件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)方式有關(guān)。本文使用visual environment6.5中的visual weld6.5建立模型，在進(jìn)入界面后，選擇application菜單下的mesh，這樣就可以開始建立網(wǎng)格了。先畫出一個(gè)面的八個(gè)節(jié)點(diǎn)，然后由點(diǎn)再構(gòu)成面，生成二維網(wǎng)格，再利用拉伸功能生成三維模型。具體操作如下： 2.1.1 建立邊界點(diǎn)根據(jù)所選的板長(zhǎng)

28、度和厚度，計(jì)算出焊縫的橫截面所在平面的八個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。從而在界面上生成八個(gè)邊界點(diǎn)。對(duì)接接頭試件的兩塊板的尺寸都為：250x50x4mm，圖2.1為試件幾何模型圖。圖2.1 試件幾何模型圖2.1.2 1d實(shí)體的生成及二維網(wǎng)格的劃分 將生成的八個(gè)邊界點(diǎn)依次連接起來，生成三個(gè)矩形。使用2d菜單下的automesh surfaces生成二維網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的多少將直接影響模擬的結(jié)果。由于焊接時(shí)熱量主要集中于焊縫，因此在焊縫及其附近網(wǎng)格要很細(xì)密，而在距焊縫的較遠(yuǎn)的地方可以比較稀疏，形成一種漸變，這樣既能夠得到較準(zhǔn)確地結(jié)果，又可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。根據(jù)多次模擬計(jì)算后得到的結(jié)果修改得到的網(wǎng)格如圖2.2。沿板寬度方向

29、的網(wǎng)格最小尺寸為0.5，最大尺寸為3，厚度方向最小尺寸為0.5，最大為1。2.1.3 生成3d實(shí)體圖在二維網(wǎng)格劃分完成后，使用3d菜單里的sweep命令生成三維網(wǎng)格，同時(shí)選取合適的數(shù)值對(duì)沿焊縫方向進(jìn)行單元?jiǎng)澐郑扇S立體網(wǎng)格模型。焊接模型及網(wǎng)格劃分如圖2.3所示，共有69613個(gè)節(jié)點(diǎn)，1d單元300個(gè)，2d單元21588個(gè)，3d單元59400個(gè)。圖2.2 二維網(wǎng)格劃分圖2.3 焊接模型及網(wǎng)格劃分2.1.4 檢查生成的網(wǎng)格使用 checks菜單里面的coincident nodes 命令對(duì)劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行節(jié)點(diǎn)和元素檢查，從而保證網(wǎng)格的完整性和去除重復(fù)元素以減少計(jì)算量，從而減少計(jì)算時(shí)間。2.1.

30、5 生成散熱面散熱面是工件與外界接觸的表面，散熱面的大小、形狀和外部介質(zhì)的性質(zhì)都將影響工件的冷卻速度，從而影響焊接過程的熱循環(huán)和焊接接頭的性能。使用2d菜單里的extract from 3d mesh命令生成二維散熱面并保存。2.1.6 焊接線、焊接參考線、開始單元、起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的選取以及各部分的重命名 根據(jù)實(shí)際焊接情況在實(shí)體表面選取焊接線（wl）、焊接參考線（rl）并對(duì)其進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，具體單元數(shù)與模型拉伸方向單元數(shù)相同。并在其上面選取開始單元（se）、開始點(diǎn)（sn），結(jié)束點(diǎn)（en）。最終選好的結(jié)果如上圖2.3所示。2.1.7 文件的保存最后將建好的模型及附屬操作，整體保存，保存成*.vdb

31、和*.data*.asc兩種格式的文件，以便在以后過程中的使用或者使用過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤后查詢與修改。2.2 熱源校核sysweld軟件內(nèi)置了三種常用的熱源模型：平面高斯熱源模型、雙橢球熱源模型和3d高斯圓錐形熱源模型。這三種熱源模型基本上滿足了薄板、中厚板、厚板焊接所需的熱源模型，為常見的焊接過程提供了基礎(chǔ)的傳熱模式。由于面熱源不考慮試件厚度方向的熱流分布，因此和實(shí)際的焊接過程差別較大，所以體積分布熱源更加符合實(shí)際焊接過程。于是雙橢球體熱源應(yīng)運(yùn)而生，沿軸分成前、后兩部分能更好地模擬出焊接過程中移動(dòng)熱源的前端和后端不同的溫度梯度分布。溫度梯度分布大體分布為前端較陡，后端較緩；雙橢球形熱源模型結(jié)合了

32、焊接電流的攪拌與挖掘作用，能夠反映出電流沿深度方向?qū)讣M(jìn)行加熱的特點(diǎn)；雖然這種模型熱流密度函數(shù)復(fù)雜，參數(shù)繁多，卻有助于使用者得到更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果17。本文采用全自動(dòng)二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊對(duì)q345d鋼板進(jìn)行焊接，熔池以同樣的速度隨熱源移動(dòng)，觀察熔池可以看到焊縫金屬的熔化和凝固是同時(shí)進(jìn)行的，前半部分熔池進(jìn)行熔化過程，后半部分熔池進(jìn)行凝固過程。因此，數(shù)值模擬的熱源模型選擇雙橢球體熱源模型，示意圖如圖2.4所示。作用于工件上的體積熱源分成前、后兩部分。設(shè)雙半橢球體的半軸為（bf ，br ，a，c），設(shè)前、后半橢球體內(nèi)熱輸入的比例分別是ff、fr。利用雙橢球式，可以寫出前、后半橢球體內(nèi)的熱流分布：式中

33、：q(x,y,z)為瞬時(shí)輸送給焊件的前半部分、后半部分熱能總量；ff、fr分別為總的輸入功率在熔池前、后兩部分的分配系數(shù)；bf、br、a、c均為雙橢球體的熱源形狀參數(shù)。q為電弧有效熱功率，q=ui，為焊接熱效率，co2氣體保護(hù)焊取值0.816。圖2.4 雙橢球體熱源模型 在熱源校核時(shí)，針對(duì)具體的焊接工藝，將初試算所得溫度場(chǎng)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行比較，對(duì)比判斷出調(diào)整哪個(gè)形狀參數(shù)值，考慮該參數(shù)值是應(yīng)該減少還是增大，還是應(yīng)該同比縮小或增大所有形狀參數(shù)值，需要多做幾組校核數(shù)據(jù)，從中選出最為合適的形狀參數(shù)值。熱源校核具體步驟如下：2.2.1 建立熱源校核試件模型sysweld軟件熱源校核工具中自帶有多種模型

34、的模板。選取模板，輸入想要校核的模型的參數(shù)，如：模型幾何尺寸、最小網(wǎng)格和最大網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格細(xì)密區(qū)域大小、熱源位置等就可以自動(dòng)生成所要的模型。本文為對(duì)接接頭模擬。為了保證校核的精確度，最好是輸入的參數(shù)與在ve中建立的模型尺寸相一致。而熱源的位置應(yīng)盡可能在靠近工件末端15-20mm左右，用來保證模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況。2.2.2 加載材料庫(kù) sysweld有自帶的材料庫(kù)，可以在里面選取，如果沒有的話，則需要根據(jù)材料的化學(xué)成分和物理參數(shù)進(jìn)行創(chuàng)建。本文采用的材料為q345d，與材料庫(kù)中的s355j2g3的化學(xué)成分和力學(xué)性能相近，可以直接調(diào)用，以減少創(chuàng)建材料庫(kù)的麻煩。2.2.3 定義工藝過程參數(shù)本文采用

35、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。由本章2.2的介紹可知，雙橢球型熱源最符合實(shí)際，所以選擇雙橢球熱源(double ellipsoid)模型。 在process界面af，ar，b，c為橢球形狀參數(shù)，af表示橢球前半軸長(zhǎng)度，ar表示后半軸的長(zhǎng)度，b影響熔池寬度，c影響熔池深度16。因此，工藝焊接參數(shù)的確定主要包括qf、qr、af、ar、b、c、ay 、x0、y0、z0和熱輸入,其中qf 、qr分別代表總的輸入功率在熔池前、后兩部分的分配系數(shù)。查資料參考完成所有相關(guān)工藝參數(shù)的定義。本文由于需要模擬不同的焊接速度下的焊接接頭，因此需要進(jìn)行三次熱源校核。校核后的熱源參數(shù)如下表2.1所示。表2.1 校核后的熱源參數(shù)焊接速度=4mm/s焊接速度=6mm/s焊接速度=8mm/sqf13.691817.447120.5484qr11.409814.539217.1236af234ar457b75.53.5c543有效功率/w2640264026402.2.4 求解由軟件自帶的材料庫(kù)文件可知，s355j2g3的熱物理性能參數(shù)如下表2.