基于sysweld+tig焊數值模擬

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1、南昌航空大學碩士學位論文第1章前言第1章前言1.1選題背景在現代化工業(yè)生產中，焊接在航空航天、船舶、汽車、核工業(yè)，石油化工、電力、電子技術、橋梁等各個工業(yè)領域有著極為廣泛的應用。目前在我國工業(yè)生產中，焊接結構的重量已占鋼鐵總產量的50%，這一比例在工業(yè)發(fā)達國家達到了70%。焊接與其他一些工業(yè)加工方法相比具有以下優(yōu)點：(1)接頭強度高，工藝過程簡單，工人勞動條件較好；(2)節(jié)省金屬材料，減輕結構重量；(3)生產周期短，生產效率高，可大幅度降低生產成本；(4)能將結構分大為小，以小拼大，為結構設計提高較大的靈活性；(5

2、)加工與裝配的工序簡單，易實現機械化與自動化。焊接工藝具有眾多優(yōu)點的同時，也存在著一些不足之處，由于焊接是一個局部加熱的過程，造成工件加熱不均勻，各個部分的溫度分布不一樣，焊后存在殘余應力，以及焊接過程中在焊接接頭中易產生未焊透、未熔合、夾渣、氣孔、咬邊、焊瘤、燒穿、偏析、未填滿、焊接裂紋等焊接缺陷。焊接過程是涉及電弧物理、傳熱、冶金和力學的復雜的物理-化學過程，變量數目較多。以往焊接質量控制通常依靠經驗來解決，對操作人員的專業(yè)素質要求高、經驗要求豐富、依賴性強，且遇到新材料、新工藝就無任何參考可言，需要重新進行大

3、量的重復試驗獲得試驗數據，耗時、耗力、耗材。采用科學的數值模擬方法和少量的試驗論證，替代過去通過大量重復試驗的方法，不僅可以大幅度地節(jié)省人力、財力和時間，還可以解決一些至今還無法在實驗室中進行直接研究的復雜問題[1]。采用科學的計算方法建立焊接過程的數學模型，通過一組描述焊接物理-化學過程的數學方程來模擬整個焊接過程，不僅可以通過計算機系統(tǒng)來實現對復雜焊接過程的模擬和確定焊接的最佳工藝參數，為人們定量描述焊接過程中發(fā)生的復雜的變化情況，以獲得對焊接過程的定量認識，深入了解焊接過程中所發(fā)生的復雜現象及本質提供了必要而

4、實用的方法，而且為實現焊接過程控制智能化奠定了基礎[2]。隨著計算機技術的發(fā)展，數值模擬方法越來越成熟，并成功應用到焊接工程中，成為預測焊接溫度場、變形和應力場等的有效工具，它將過去的焊接技術研究模式從“理1南昌航空大學碩士學位論文第1章前言論-試驗-生產”轉變到“理論-計算機模擬-生產”上來，具有十分積極的意義。應湖南株洲某航空企業(yè)的要求，對航空發(fā)動機某一關鍵部位進行焊接數值模擬，模型如圖1-1所示。該模型采用的材料為GH4169，GH4169屬于沉淀強化鎳基變形高溫合金。該合金在-253～700℃溫度范圍內具有

5、良好的綜合性能,650℃以下的屈服強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雜的零部件，在石油生產、宇航制造、核能工業(yè)及擠壓模具中有著極為廣泛的應用。該模型的焊接方法采用TIG焊，由于該模型結構復雜，焊縫多達24條，數量較多，通過常規(guī)的試驗方法來獲得較小的焊接殘余應力和變形量的工作量巨大且不切實際，采用有限元軟件進行數值模擬可以達到優(yōu)化其工藝過程，預測焊接質量的目的，因此對該構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國內外焊接過程

6、數值模擬的研究歷史、現狀及發(fā)展趨勢1.2.1焊接熱源模型的研究進展與應用現狀弧焊焊接熱源具有局部集中、瞬時和移動的特點[3]，使得焊接溫度場隨熱源能量的大小、加熱工件的時間以及熱源的空間位置變化而變化，從而導致焊接各個部分的熱量分布不均勻，焊后產生殘余應力和變形。因此，一個準確的焊接熱源模型是保證模擬的溫度場、應力場與實際結果是否吻合的重要前提。在國外，早在上世紀30年代，Rosonthal[4]提出了經典的解析模式，作用在不2南昌航空大學碩士學位論文第1章前言同形狀工件的焊接熱源被描述成點狀、線狀和面狀的形式，由

7、于沒有考慮到材料熱物理性能隨溫度的變化，造成模擬結果與實際有很大的差距。Eager[5]提出了一種比點熱源更符合實際的熱源-高斯熱源分布函數，后經Friedman和Krutzy[6]等人的改進，使得這種熱源函數在當時的有限元計算時應用的比較多，但它的熱源模型限定在x-y平面上，而且低速焊接時，與實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、對熔池沖擊力較小的情況下，更切實際，但焊接熔池的真實形狀大部分不是球狀的，在此模型上，JohnGoldak[8]等人繼續(xù)進行了改進，提出了

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