電阻點焊過程數值模擬與仿真分析技術

1、電阻點焊過程數值模擬與仿真分析技術摘要 本文介紹了自主開發(fā)的電阻點焊過程可視化模擬與分析軟件中采用的關鍵技術，如接觸面、接觸電阻、面向對象技術、可視化技術。在前置處理中通過交互式的圖形輸入界面使用戶能夠方便、快捷的建立求解模型，用戶以圖形界面方式輸入點焊工件、電極的形狀參數、材料性能參數、焊接規(guī)范等，自由選擇網格剖分的疏密程度，實現(xiàn)網格的自動剖分；所建立的模型數據不僅能進行存儲，而且和有限元模擬計算有良好的嵌接；在后置處理中能夠將有限元分析計算結果以圖形方式直觀地顯示。引 言電阻點焊技術作為一種高效的薄板結構連接方法廣泛應用于國民經濟的各行各業(yè)，特別是汽車制造業(yè)。具不確切統(tǒng)計，一輛小轎車的殼體

2、制造就需5000-10000個焊點。然而，點焊完成的時間很短，大約在0.2s左右完成。因此，依靠試驗的方法研究其過程行為具有很大的難度。隨著計算機技術的發(fā)展，數值模擬方法已成為分析電阻點焊過程機理的重要手段。國內外許多學者相繼建立各自的數值模型，并普遍采用有限元分析方法對點焊過程進行了模擬計算，取得了很大的進展1-10。但這類工作的不足之處是研制軟件的前后處理部分，需要收集整理并輸入大量的原始數據，這些數據繁瑣且容易出錯，也因為缺乏功能完善的后處理器，也給推廣使用帶來了很大困難?？茖W計算可視化涉及計算機圖形學、圖像處理、計算機輔助設計、計算機視覺及人機交互等多個領域，是當前計算機應用新技術的熱

3、點之一10。隨著科學技術的進步，工程領域的開發(fā)研究工作越來越向定量化、精細化的方向發(fā)展，工程人員需要更詳細的了解結構內部各場量的分布情況。科學計算可視化技術憑借現(xiàn)代計算技術的圖形能力把計算過程中產生的數據轉變?yōu)橹庇^的、易于理解的、以圖形或圖像形式表示的靜態(tài)或動態(tài)畫面，從而幫助人們有效的理解計算數據，從繁瑣的數據后處理中解放出來。本文介紹了自主開發(fā)的電阻點焊過程可視化模擬與分析軟件系統(tǒng)Visual SSRSW中采用的關鍵技術，如接觸面、接觸電阻、熔核形成和長大等、面向對象技術、可視化技術等。1 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)技術按照可視化軟件的結構設計的基本要求，從用戶與系統(tǒng)交互的角度描述了本軟件的結構流程，如

4、圖1所示。用戶對系統(tǒng)的操作有兩種途徑，一是通過輸入數據參數建立數值模型，系統(tǒng)進行數值計算，然后將結果進行處理并以圖形顯示的方式反饋給用戶；另一方式則可以使用圖形操作直接獲得可視化信息。圖中的A部分構成系統(tǒng)的前處理模塊，B部分則是系統(tǒng)的后處理模塊，A、B及數據處理部分共同組成了系統(tǒng)的可視化處理模塊，數值計算模塊單獨另置。位于此系統(tǒng)中的每個模塊要完成的工作既單純又明確，且可以采用不同的編程語言獨立實現(xiàn)。VC+在繪圖及圖像處理方面的功能是非常強大的，它專門定義了一組圖形對象和部件用以繪制圖形或完成一些基本的圖像功能。利用這些對象、部件可以方便的繪制各種常用的圖形，通過設置其屬性，還可改變圖形的不同風

5、格。對于前、后置處理模塊中的所要求的功能，VC+設備描述表(Device Context)的可重用DC類即可實現(xiàn)。DC類封裝了全部繪圖方法和大部分GDI函數，一般不需要直接調用Windows的API函數。在可視化處理中，除了繪圖的實現(xiàn)方法外，還涉及到設備坐標(如顯示器屏幕等)與實際坐標的映射關系，以及將設備坐標信息轉換為輸出數據信息這兩個方面。2 有限元數值計算技術電阻點焊過程是一個高度非線性的多因素耦合過程，涉及電、熱、力、磁和冶金等諸多方面。目前，數值分析大都采用二維軸對稱模型研究點焊過程電、熱、力行為的相互作用，還考慮到接觸電阻等因素對點焊熔核形成過程的影響10。在點焊有限元分析程序設計

6、中，關鍵技術是電極與工件，工件與工件的接觸問題處理。本程序采用彈簧單元處理接觸問題，當彈簧的接觸力小于或等于零時，判斷為分離，當彈簧力大于零時，判斷為接觸。由此確定界面的接觸與否。界面電阻的處理為利用靠近界面的單元的最近高斯點的電阻率的變化模擬界面電阻。程序設計中進行了耦合計算，考慮了接觸面積對電流強度的影響，考慮了材料常數隨溫度的變化，以及溫度變化對接觸面的影響等5-8。程序設計采用Fortran語言。此語言因其高精度的數據結構和計算結構，成為分析計算類軟件的經典編程語言，如著名的大型有限元分析軟件ANSYS就采用了FORTRAN77語言。然而，F(xiàn)ortran語言畢竟是一種面向過程的語言，其

7、人機交互及圖形處理能力并不理想，而面向對象的編程語言VC+則正好可以彌補Fortran語言在這兩方面的不足。因此，采用VC+語言開發(fā)有限元分析軟件的整體構架及前、后置處理系統(tǒng)，用Fortran語言獨立開發(fā)數值計算程序，再運用一定的方法將它們連接為一個有機的整體。其中，進程間通訊是這類方法中的一種行之有效的連接方法。進程是Windows操作系統(tǒng)所涉及到的一個概念，是應用程序的運行實例，是應用程序的一次動態(tài)執(zhí)行?？梢酝ㄟ^Win32 API函數:CreateProcess()創(chuàng)建一個新進程，調用此函數的進程稱為“父進程”，而被“父進程”創(chuàng)立的進程則為“子進程”。使用不同進程間通訊的方法可以開發(fā)密切相

8、關的程序的程序組。如圖2所示，本分析軟件將Visual SSRSW系統(tǒng)的構架(其中包括前、后置處理)主程序作為父進程，將二維軸對稱熱彈塑性大變形點焊過程模擬程序SPFEM作為子進程，由父進程利用菜單消息映射函數啟動子進程，從而實現(xiàn)了點焊過程有限元分析系統(tǒng)的前、后置模塊與模擬計算模塊的集成。該方法編程簡單、思路清晰且程序的運行速度也很快。3 模型建立技術-前處理模塊可視化建模作為有限元分析前置處理階段的主要內容，對于保證模擬計算系統(tǒng)的性能至關重要。對建模過程的基本要求是簡便、快捷，而交互技術必不可少。交互界面設計的優(yōu)劣關乎整個系統(tǒng)的工作效率和用戶的滿意程度，優(yōu)秀的界面可以使用戶不必關心軟件本身的

9、細節(jié)而專注于自己的目標任務。Visual SSRSW系統(tǒng)是一個交互式的圖形界面系統(tǒng)，允許用戶使用交互式圖形方式輸入原始數據、觀察圖形實體及網格單元。前置處理模塊的主要功能是建立求解對象的模型，定義相應的材料屬性，確定場域中各子域的空間位置及形狀參數，并自動進行網格剖分，從而為模擬計算做好準備。Visual SSRSW系統(tǒng)前處理的初始化參數包括點焊工件的性能參數、電極材料的性能參數、電極形狀參數、焊接規(guī)范以及網格剖分數據等。系統(tǒng)中對場域采用四節(jié)點四邊形等參元進行網格自動剖分，對計算區(qū)域的主體部分(電極頭與工件接觸區(qū)域)剖分的較細密，而對其它區(qū)域則剖分的較稀疏。為了處理工件和電極這兩種介質的混合場

10、域問題，采用彈性表面元模擬工件與工件、工件與電極間的接觸狀態(tài)。網格剖分部分最后生成與模擬計算模塊接口的前處理文件。圖形操作子模塊可以對窗口顯示的圖形進行平移、縮放、打印預覽及保存等操作。為了防止誤操作，前置處理模塊具有回退功能，可以一直返回到參數輸入的首界面，從而提高了軟件的安全性。圖3表示了電極的參數化處理，便于進行網格的自動劃分。電極類型尺寸參數化公稱直徑D；工作面直徑D1；工作面圓弧半徑R1；過渡圓弧半徑R 公稱直徑D；工作面直徑D1；工作面圓弧半徑R1 公稱直徑D 工作面直徑D1 端部錐角4 結果處理技術-后處理模塊有限元分析結果的可視化技術包括矢量場和標量場兩大類。矢量場有流體等物質

11、，可視化主要使用箭頭線段表示法；標量場有溫度、應力應變的某一方向等，本文對有限元計算結果進行處理，包括圖形顯示、結果輸出等，是后處理模塊的主要內容?？梢暬饕捎玫戎稻€、彩色云圖、線架曲面圖及切片圖等，其中以等值線圖和彩色云圖最為常用。本系統(tǒng)中提供了點焊熔核長大曲線圖、結構變形圖、等值線圖及彩色云圖等多種用于結果分析的后處理方法。(1)熔核尺寸與電極位移圖(2)等值線及彩色云圖為了形象、直觀的描述電阻點焊過程各時刻溫度、電勢、應力應變及位移等場量的分布情況，系統(tǒng)可以繪制上述各場量的等值線及彩色云圖。等值線繪制采用網格插值法12，其基本思路是采用插值逐個網格單元追蹤每條等值線，獲取各條等值線在其

12、所穿過的單元的棱邊上的坐標值。將這些坐標值存儲在動態(tài)數組或鏈表之中，連接各坐標點即可繪制出等值線圖。彩色云圖綜合運用單元填充法和掃描線法繪制。對遠離點焊內熱源的單元采用單元填充法，由單元的平均值映射的顏色直接填充該區(qū)域；而對于處于點焊內熱源附近的單元，由于場量值變化很劇烈，因此有必要深入單元的內部由插值計算的場量值對應的顏色繪點，形成這些單元的云圖采用的是掃描線算法。在等值線和云圖的顯示界面，采用從暗紅漸變到深藍的不同顏色標識場量值的大小。鑒于篇幅不再詳細討論這兩種圖形的繪制算法。圖6所示為電阻點焊溫度場的等溫線圖；圖7為電阻點焊電勢場的彩色云圖。5 結論本文介紹了自主開發(fā)的電阻點焊過程可視化

13、模擬與分析軟件系統(tǒng)Visual SSRSW中采用的關鍵技術，如接觸面、接觸電阻、面向對象技術、可視化技術。采用可視化技術開發(fā)的電阻點焊過程模擬系統(tǒng)Visual SSRSW具有如下特點：完全可視化的前處理建模過程，用戶以圖形界面方式輸入點焊工件、電極的形狀參數、材料性能參數、焊接規(guī)范等；能夠自由選擇網格剖分的疏密程度，實現(xiàn)網格的自動剖分；可視化的后置處理方式多樣，便于對計算結果進行分析處理；實現(xiàn)了獨立開發(fā)的數值計算模塊與系統(tǒng)的前、后置處理模塊的集成。參考文獻4 曹彪,姜以宏,王建一.點焊熔核形成過程的有限元模型,機械工程學報J. 1995, 31(2): 99104. 9 龍昕,汪建華,張增艷等.電阻點焊溫度