基于sysweld+tig焊數(shù)值模擬

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1、南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章前言第1章前言1.1選題背景在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，焊接在航空航天、船舶、汽車(chē)、核工業(yè)，石油化工、電力、電子技術(shù)、橋梁等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。目前在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中，焊接結(jié)構(gòu)的重量已占鋼鐵總產(chǎn)量的50%，這一比例在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家達(dá)到了70%。焊接與其他一些工業(yè)加工方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)接頭強(qiáng)度高，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，工人勞動(dòng)條件較好；(2)節(jié)省金屬材料，減輕結(jié)構(gòu)重量；(3)生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高，可大幅度降低生產(chǎn)成本；(4)能將結(jié)構(gòu)分大為小，以小拼大，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高較大的靈活性；(5

2、)加工與裝配的工序簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化。焊接工藝具有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也存在著一些不足之處，由于焊接是一個(gè)局部加熱的過(guò)程，造成工件加熱不均勻，各個(gè)部分的溫度分布不一樣，焊后存在殘余應(yīng)力，以及焊接過(guò)程中在焊接接頭中易產(chǎn)生未焊透、未熔合、夾渣、氣孔、咬邊、焊瘤、燒穿、偏析、未填滿(mǎn)、焊接裂紋等焊接缺陷。焊接過(guò)程是涉及電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜的物理-化學(xué)過(guò)程，變量數(shù)目較多。以往焊接質(zhì)量控制通常依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)解決，對(duì)操作人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)要求高、經(jīng)驗(yàn)要求豐富、依賴(lài)性強(qiáng)，且遇到新材料、新工藝就無(wú)任何參考可言，需要重新進(jìn)行大

3、量的重復(fù)試驗(yàn)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，耗時(shí)、耗力、耗材。采用科學(xué)的數(shù)值模擬方法和少量的試驗(yàn)論證，替代過(guò)去通過(guò)大量重復(fù)試驗(yàn)的方法，不僅可以大幅度地節(jié)省人力、財(cái)力和時(shí)間，還可以解決一些至今還無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行直接研究的復(fù)雜問(wèn)題[1]。采用科學(xué)的計(jì)算方法建立焊接過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)一組描述焊接物理-化學(xué)過(guò)程的數(shù)學(xué)方程來(lái)模擬整個(gè)焊接過(guò)程，不僅可以通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜焊接過(guò)程的模擬和確定焊接的最佳工藝參數(shù)，為人們定量描述焊接過(guò)程中發(fā)生的復(fù)雜的變化情況，以獲得對(duì)焊接過(guò)程的定量認(rèn)識(shí)，深入了解焊接過(guò)程中所發(fā)生的復(fù)雜現(xiàn)象及本質(zhì)提供了必要而

4、實(shí)用的方法，而且為實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程控制智能化奠定了基礎(chǔ)[2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法越來(lái)越成熟，并成功應(yīng)用到焊接工程中，成為預(yù)測(cè)焊接溫度場(chǎng)、變形和應(yīng)力場(chǎng)等的有效工具，它將過(guò)去的焊接技術(shù)研究模式從“理1南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章前言論-試驗(yàn)-生產(chǎn)”轉(zhuǎn)變到“理論-計(jì)算機(jī)模擬-生產(chǎn)”上來(lái)，具有十分積極的意義。應(yīng)湖南株洲某航空企業(yè)的要求，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)某一關(guān)鍵部位進(jìn)行焊接數(shù)值模擬，模型如圖1-1所示。該模型采用的材料為GH4169，GH4169屬于沉淀強(qiáng)化鎳基變形高溫合金。該合金在-253～700℃溫度范圍內(nèi)具有

5、良好的綜合性能,650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金的首位,具有具有良好的抗疲勞、抗氧化、抗輻射、耐腐蝕性能，且加工性能良好，能夠制造各種形狀復(fù)雜的零部件，在石油生產(chǎn)、宇航制造、核能工業(yè)及擠壓模具中有著極為廣泛的應(yīng)用。該模型的焊接方法采用TIG焊，由于該模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫多達(dá)24條，數(shù)量較多，通過(guò)常規(guī)的試驗(yàn)方法來(lái)獲得較小的焊接殘余應(yīng)力和變形量的工作量巨大且不切實(shí)際，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬可以達(dá)到優(yōu)化其工藝過(guò)程，預(yù)測(cè)焊接質(zhì)量的目的，因此對(duì)該構(gòu)件焊接值模擬具有重要的意義。圖1-1本文所研究的模型1.2國(guó)內(nèi)外焊接過(guò)程

6、數(shù)值模擬的研究歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1焊接熱源模型的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀弧焊焊接熱源具有局部集中、瞬時(shí)和移動(dòng)的特點(diǎn)[3]，使得焊接溫度場(chǎng)隨熱源能量的大小、加熱工件的時(shí)間以及熱源的空間位置變化而變化，從而導(dǎo)致焊接各個(gè)部分的熱量分布不均勻，焊后產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形。因此，一個(gè)準(zhǔn)確的焊接熱源模型是保證模擬的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與實(shí)際結(jié)果是否吻合的重要前提。在國(guó)外，早在上世紀(jì)30年代，Rosonthal[4]提出了經(jīng)典的解析模式，作用在不2南昌航空大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章前言同形狀工件的焊接熱源被描述成點(diǎn)狀、線(xiàn)狀和面狀的形式，由

7、于沒(méi)有考慮到材料熱物理性能隨溫度的變化，造成模擬結(jié)果與實(shí)際有很大的差距。Eager[5]提出了一種比點(diǎn)熱源更符合實(shí)際的熱源-高斯熱源分布函數(shù)，后經(jīng)Friedman和Krutzy[6]等人的改進(jìn)，使得這種熱源函數(shù)在當(dāng)時(shí)的有限元計(jì)算時(shí)應(yīng)用的比較多，但它的熱源模型限定在x-y平面上，而且低速焊接時(shí)，與實(shí)際相比有很大的誤差。Duranton[7]等人提出了半球狀熱源模型，在電弧挺度較小、對(duì)熔池沖擊力較小的情況下，更切實(shí)際，但焊接熔池的真實(shí)形狀大部分不是球狀的，在此模型上，JohnGoldak[8]等人繼續(xù)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了

8、橢球形熱源模型和雙橢球熱源模型，在實(shí)際的熔焊和激光焊中，熔池形狀前后并不是對(duì)稱(chēng)的，雙橢球熱源模型較之橢球形熱源模型而言，更符合實(shí)際焊接熱源橢球體的前半部分溫度梯度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)精確度的要求越來(lái)越高，焊接熱源的處理也有了新的進(jìn)步，人們開(kāi)始采取復(fù)合熱源作為焊接熱源進(jìn)行模擬，Bachorski、MuruganS[9，10，11]等人建立以熔滴為第二