文 献 综 述

基于单元生死技术的SUS310钢板焊接数值模拟技术研究

1 引言

计算机、信息、网络等技术的飞跃发展,给人类的生活环境、文化氛围带来了深刻的变化。这种深刻的变化必然反映到原来的制造业乃至焊接工程中来。计算机心脏中央处理器(CPU),其性能18个月就翻一翻,而价格却成倍下降,已具备进入家庭的条件。计算机操作系统和语言处理系统以及各种工具类、应用类软件功能越来越强。90年代初美国提出了国家信息基础设施工程计划,通常也被称为信息高速公路计划,随之而来在世界范围掀起了Internet建设的狂风巨浪。计算机和网络引发的信息技术的发展,大大促进了制造业的变革。近年来提出的先进制造技术,包括诸如计算机集成制造系统(CIMS)、并行工程、灵捷制造等。CIMS就是将制造过程CAD、CAE、CAPP、CAM、CAT等计算机辅助技术中的相关信息,通过网络集成在一起。虚拟工程则进一步使整个制造过程在计算机上得到预演和实现。据估计美国已有90%以上企业采用Internet技术建立了一种新型的企业内部网,从而带来巨大的效益

焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程,单纯采用理论方法,很难准确的解决生产实际问题。因此,在研究焊接生产技术时,往往采用试验手段作为基本方法,其模式为理论试验生产,但大量的焊接试验增加了生产的成本,且费时费力。随着计算机软硬件技术的快速发展,引发了虚拟制造技术的热潮,这其中就包括焊接热加工过程的数值模拟。焊接数值模拟技术的出现,为焊接生产朝理论数值模拟生产模式的发展创造了条件。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。

钢结构焊接是其连接的重要工艺之一，是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，直接关系到工程质量的好坏、结构的安全。焊接温度场是焊接工艺性是否合格的重要前提，焊接过程当中的应力场的变化及焊后残余应力和变形是减少焊缝裂纹和提高焊缝质量的重要参考依据。传统的方式是通过实验来获得这些数据，但是实验过程受到种种因素的影响，大量的焊接试验增加了生产的成本，而且消耗的时间较长，成本较高且费时费力。而运用ANSYS有限元分析软件在电脑上对焊接过程进行模拟，已成为一种模拟焊接过程温度场的有效方法。焊接温度场、结构场的模拟是运用ANSYS软件的热、结构及二者的耦合分析功能进行计算,即先运用ANSYS的热分析功能计算整个焊接过程的温度场,然后将温度场的计算结果作为热载荷进行结构的力学分析,得到应力场的整个动态变化过程，获取温度场的变化及残余应力的分布规律。

2. 焊接数值模拟及单元生死技术简介

运用ANSYS有限元分析软件在电脑上对焊接过程进行模拟，已成为一种模拟焊接

过程温度场的有效方法。焊接温度场、应力场的模拟是运用ANSYS软件的热、结构及二者的耦合分析功能进行计算。整个过程方便、快捷、且生产成本低廉。

首先，建立含有沿焊缝移动电弧热的二维焊接温度场的计算模型，考虑热源的热输入和上下表面的辐射散热，但忽略板边的辐射损失和边界条件。对于TIG焊，一般都将电弧看成辐射状对称并呈高斯分布的二维热流作用于工件表面。其次，熔池内流体流动由于增加了热传导速度，对焊接过程的温度场也有着重要的影响。

用有限元法对所建立的模型进行计算，可分3步：①确定材料的热物理参数；②落实边界条件；③区域离散化。假定采用的材料是各向同性且均匀的，其热物理参数随温度而变化。为了处理可能比较大的温度梯度，在焊缝及其附近可采用较密的网格。

在焊接过程中，焊接材料是逐渐依次填充在焊缝中的，即焊缝材料在焊接开始时并不存在，而是随着焊接过程的进行不断产生的，要真实地模拟这一过程就必须用到ANSYS中的单元生死技术。单元的生或死是指如果在模型中加入或删除材料，模型中相应的单元就出生或死亡。单元死亡，ANSYS软件并不是将死亡的单元从模型中删除掉，而是将其单元刚度矩阵乘以一个很小的因子，从而，死亡单元的载荷、质量、阻尼和其它类似效果都将变为零。单元出生，并不是将新单元添加到模型中，而是将以前死亡掉的单元重新激活，当一个单元被重新激活后，其刚度、质量、单元载荷等将被恢复为其原始数值[3]。杀死单元使用EKILL命令，单元出生用EALIVE命令。

在模拟焊接过程时，首先要建立包括焊缝和钢板模型在内的整体模型，开始计算时先将焊缝单元杀死，随着焊接的进行，再逐步将这部分单元重新激活，相关命令流如下：

建立完整有限元模型

ESEL,S,焊缝单元

EKILL,ALL

ALLS

SOLVE

ESEL,S,欲激活单元

EALIVE,ALL

ALLS

SOLVE

3. 焊接数值模拟在国内外的发展研究现状

1962年,丹麦人首次用计算机有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算,进入70年代,更多的国家加入到这个研究行列,并从铸造逐步扩展到锻压、热处理、焊接。我国焊接界数值模拟研究起步于80年代初,近年来很多的科研单位和个人投入到了这项研究中,并取得了积极的进展。

3.1 焊接热过程分析

1. 焊接热过程分析包括焊接热源的大小和分布形式分析、热物理性能随温度变化的影响分析,焊接熔池中的流体动力学和传热分析,焊接电弧的传热传质分析,以及各种实际焊接接头形式、焊接程序、焊接工艺方法的边界条件处理等。利用数值方法计算焊接热过程,为合理选择焊接方法和工艺参数以及进一步进行冶金分析和动态应力应变分析奠定了基础。

2. 焊接热过程的数值分析开始于20世纪70年代。1985年樊丁和M.Ushio在假定电流为高斯分布的条件下,计算了电弧的压力场分布规律,建立了较完善的电弧传热传质数值模型J.J.Lowke采用了一个统一的电弧-电极处理系统对GTAW和GMAW焊接时电极的温度进行了数值预测,该二维模型可在任何给定电流、焊接气体和电极形状下进行分析。

3. 《不锈钢焊接凝固裂纹温度场的数值模拟》这本书里首次将电弧看作辐射状并呈高斯分布的二维热流作用于工件表面,解决了电弧产热问题;通过淬液法测试金属的固相分数随温度变化率,得到凝固潜热释放率;采用增大热传导系数的方法并考虑熔池内流体流动对整个温度场的影响,建立了二维焊接凝固裂纹温度场计算模型。《焊接CCT图的计算机辅助推定模型及程序系统》在ADINAT的基础上,建立了包括网格划分、材料性能参数输入和焊接参数输入的输入模块,实现了参数的输入、预览等基本功能;同时编制了时间函数自动生成模块,实现了用时间函数来描述焊接工程中的电弧热输入;设计了单元死活时间自动计算模块,成功的实现了单元!活-死-活!过程,最终形成了可以引导技术人员完成复杂的凝固裂纹数值模拟的自动前处理系统。《焊接凝固裂纹数值模拟后处理系统》以ADINAT为中心计算软件,利用VB6.0为主要编程语言,借助MATLAB及MatrixVB矩阵运算函数库,建立了温度场数值模拟后处理系统。该系统通过位置和时间步设置,实现了任意位置和时刻温度场的三维、等高线、横截面、纵截面和循环线的显示。

3.2 焊接冶金分析

美国OakRidge国家试验室的S.A.David等人对焊缝金属中显微组织的建模进行了较全面深入的研究,并试图用一个通用和集成的模型来预测焊缝组织的发展,它是焊缝金属成分和焊接参数的函数,适合于任何合金系统[2]。H.Cerjak等发展了一个综合的计算机程序HAZ-CACULATOR!,提供了大约50个冶金计算法,可用于非合金钢、合金结构钢、调质钢、低合金钢、耐热钢与奥氏体不锈钢[2] 。关于热影响区的相变和组织性能的预测,最初是根据SH-CCT图结合热计算来预测组织和硬度的,随着研究工作的不断深入,开始重视温度、相变和热应力之间的耦合效应。D.F.Watt和C.Henwood等提出了一个预测模型,对焊接热影响区传热和组织变化的耦合进行了研究。

3.3 焊接应力应变分析

1. 20世纪70年代初,日本的上田幸雄等首先以有限元为基础,提出了考虑材料力学性能与强度有关的热弹塑性分析理论,从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能。他的理论成果可以归纳为以下几个方面:(1)焊接热弹塑性基本理论;(2)焊接应力的发生机制和残余应力分布状态;(3)消除应力退火;(4)焊接裂纹及其力学指标;(5)固有应变理论;(6)基于固有应变理论的二维残余应力测定法;(7)高精度焊接变形的预测;(8)焊接应力变形对焊接接头的强度影响等。法国的J.B.Leblon对相变时钢的塑性行为进行了理论和数值研究,在研究基础上发展了SYSWELD软件;T.Tnouce等研究了伴有相变的温度变化过程中,温度、相变、热应力三者之间的耦合效应,并提出了在考虑耦合效应的条件下本构方程的一般形式 。

2. 通过采用单元生死方案,消除了焊接构件中熔池变形对熔池尾部应力应变场的影响;通过加大材料线膨胀系数的方法,考虑凝固收缩对熔池尾部应力应变场的影响;通过采用热弹、塑性力学方法处理了固相区的应力应变本构关系,从而建立了一种计算凝固裂纹驱动力的有效方法。文献[9,10]针对实际结构应力和变形的数值模拟,研究了焊接移动热源、动态可逆的自适应网格技术、焊缝熔敷金属填充的处理、并行计算、材料性能在高温时的处理、降阶积分等关键性问题,提出了相似理论、快速焊接变形实时测量在焊接数值模拟中的应用。文献[11]利用ADINA非线性分析有限元程序,对低碳钢管道环焊缝接头焊接残余应力进行有限元分析。在热弹塑性分析中考虑了材料热物理和力学性能依赖于温度变化。结果表明,在管道接头内表面焊缝中心及近缝区轴向和环向残余应力均为拉应力,随离开焊缝距离的增加,逐渐过渡为压应力;在管道接头外表面焊缝中心处的轴向残余应力为压应力,而环向残余应力为拉应力,计算预测值与实测值基本一致。近年来,文献[9、10]在焊接结构变形方面进行的广泛研究取得了较大进展,并已应用于三峡1200t桥式起重机主梁焊接变形的控制和大型挖掘机的工艺设计中。

3.4 特种焊接过程分析

H.A.Nied[16] 在1984年提出了一个电阻点焊过程的有限元模型。该模型可以用来分析压力和焊接循环,预测温度分布、热膨胀及其应力和熔核的几何尺寸。A.Matsunawa等提出了一个激光脉冲点焊热传导以及快速熔化和凝固的模型,该模型考虑到了潜热的影响,可用来选择凝固时合适的热循环,从而减少有裂纹敏感性的合金脉冲激光点焊时的热裂纹倾向。 文献根据相变扩散连接的特殊性,建立了钛/不锈钢相变扩散连接界面区元素扩散、金属间化合物的生长和成长行为的数学模型。文献对PBGA封装制造时钎料球的激光重熔过程中的温度场分布进行了数值模拟,考虑了多点和扫描两种激光加热方式对温度场的影响规律,并将成果成功用于生产中。

3.5 焊接中氢扩散分析

氢是引起高强钢冷裂纹的三大要素之一。焊接氢扩散过程相当复杂,受到接头组织、温度、应力、塑性应变等多种因素影响,因此要寻找它的解析解十分困难。目前数值分析方法已应用于焊接氢的扩散与聚集的研究。 B.Bets等通过氢扩散和聚集行为的数值分析评价了焊接接头层状撕裂的影响。E.Takahashi[14]等采用了有限差分法评价了一个多层焊缝中氢的分布,FDM计算结果与试验测定相当吻合。 文献[15]采用ABAQUS有限元分析软件对氢在不均质焊接接头的扩散进行了数值模拟计算,得到了焊接接头随时间延迟,焊缝金属中氢的浓度逐渐降低,而熔合区以外区域氢的浓度经历了一个峰值变化过程的结论。该结论可用于指导焊接热过程中的工艺制订。

3.6 焊接结构完整性评定

焊接结构完整性评定包括焊接接头应力分布状态、焊接构件的断裂力学分析、疲劳裂纹的扩展、残余应力对脆断的影响、焊缝金属和热影响区对性能的影响等。其中对焊接接头断裂力学分析的研究最为活跃。 国际焊接学会(IIW)的第X分委会近来的研究中心就是对焊接接头断裂韧性的研究。德国GKSS的M.Cocak、日本的M.Toyoda,F.Minami等人在这方面做了许多工作。F.Minami等采用局部近似法(该方法引入Weibull应力aw作为一个可挑选的断裂驱动力)定量研究了不均质焊接接头的断裂阻力,该近似法已用于强度不匹配对断裂韧性结果影响的预测,以及从韧性试验结果到焊接接头断裂使用评价的变换性分析,显示出了优越性。

基于单试样延性断裂韧度的试验确定方法,文献[12]建立了一种延性断裂韧度统计分布的数值模拟模型,可较好地处理各种非固定因素引起的延性断裂韧度的统计变异性。在计算机上易实现大样本量的模拟、得到较准确的延性断裂韧度的统计分布及其参数,同时还可进行敏感性分析。近年来,上海交通大学开展了广泛的国际合作,在焊接力学数值模拟领域取得了以下主要成果[13]:(1)研究了适合各种焊接热输入条件下的焊接传热有限元分析方法和相应的计算机程序,研究了提高三维焊接热弹塑性有限元计算精度和稳定性的有效方法并在若干三维复杂焊接结构的分析以及失效变形之中得到成功应用;(2)引入考虑高温蠕变的粘弹塑性有限元方法,对局部焊后热处理的评定准则进行了全面研究,提出了新的评定方法;(3)提出和发展了基于弹性计算的预测焊接变形的残余塑变有限元方法,包括采用三维板壳单元和考虑大变形。一些理论成果已经应用于实际工程中,如空调压缩机的焊接变形与应力分析,大型艇体结构的焊接变形预测,600MW核电凝气器焊接变形分析等。

4. 焊接模拟技术的发展趋势

近10年来,焊接数值模拟技术不断向深度、广度发展,研究工作已普遍由建立在温度场、电场、应力应变场基础上的旨在预测宏观尺度的模拟进入到以预测组织、结构、性能为目的的中观尺度及微观尺度的模拟阶段;由单一的温度场、电场、流场、应力应 变场、组织模拟进入到耦合集成阶段;由共性通用问题转向难度更大的专用特性问题,包括解决特种焊接模拟及工艺优化问题,解决焊接缺陷消除等问题;由孤立研究转向与生产系统及其它技术环节实现集成,成为先进制造系统的重要组成部分。

到2020年,计算机分析、数值模拟、自动化制造,将在焊接中广泛运用,焊接将彻底转变为一门科学。在焊接技术由经验向科学的转变过程中,焊接工艺过程控制、材料的低功耗、纯净化和智能化以及焊接设备参数复杂控制知识模型的建立是核心任务。随着对焊接过程中各种现象的进一步深入了解以及计算机技术的快速发展,焊接数值模拟技术及进一步发展的虚拟制造技术必将广泛的应用到焊接 技术的研究及生产中,极大促进国民经济建设,推动生产制造的科学化、现代化、自动化进程。

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。其最主要的问题是在高温时对材料性能认识还很不足, 给数值模拟带来了不少困难。因此，必须建立相应的材料特性数据库。其次，由于焊接应力场计算是属于包括相变、塑性、非线性等多方面因素影响的热弹塑性问题，尤其是焊后冷却过程中发生的相变体积膨胀，严重影响残余应力的分布。因此，在关于焊接残余应力数值分析中应该充分考虑到相变作用的影响。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的愿望，相信在未来技术的高速发展以及人们对焊接变形过程认知的进一步深入, 焊接变形数值模拟技术必将具有广阔的应用前景。

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