大型結構件焊接模擬的關鍵技術（之一）

2022年7月8日 16:18
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大型結構件焊接模擬的關鍵技術（之一）的圖1


焊接是一個非常復雜的過程，其中包括電弧物理、傳熱、冶金和力學等，直接關系到工程質量是否達標、結構是否安全，尤其是對大型構件，焊接質量不僅會對經濟效益產生影響，而且有時會關系到生命安全。利用數值模擬研究焊接應力及變形問題，就要考慮到焊接過程中產生的溫度場和應力差場，可以掌握應力分布規律和焊接變形規律，從而合理的選擇焊接工藝，更好的控制殘余應力和變形，以提高生產效率和焊接構件的質量。


焊接模擬中存在的問題

大型結構件焊接模擬的關鍵技術（之一）的圖2
雖然有限元分析在經過了多年的發展取得了很大的進步，但是實際焊接構件中，尤其是大型的焊接構件中仍然存在很多問題。
（1）計算量大
在焊接模擬的有限元分析中需要記錄整個焊接過程及冷卻過程中溫度場和應力場的動態變化情況，求解的微分方程數量非常龐大，而且高度非線性。
（2）材料性能參數不足
有些材料性能參數如：傳熱系數、比熱容、彈性模量、膨脹系數、泊松比和屈服強度等。在高溫時的性能參數很難測定，有的就根本無法獲得。
（3）熱源分布參數的確定
不同類型的熱源所對應的具體參數不是十分清楚，所以采用哪種類型的熱源會對結果有很大影響。


在焊接模擬過程中，如下的問題需要高度重視。

大型結構件焊接模擬的關鍵技術（之一）的圖3
（1）相變潛熱的處理
焊接過程的相變問題可以分為兩類，分別為固態相變和固-液-固相變。所謂的固態相變是金屬材料組織的轉變，而固-液-固相變則是固體材料遇高溫后熔化，最后冷卻凝固。在這個過程中會有相變潛熱產生，而在進行溫度場分析時，相變潛熱也是一個重要的因素。
（2）單元生死技術的應用
焊接其實就是焊縫逐漸形成的過程，在此過程中需要向焊縫中添加某些材料，這樣焊縫才能逐漸形成。要想把真實的焊接過程模擬出來就必須使用單元生死技術。所謂的單元“生”就是指在模型中加入材料，相應的單元就會“出生”。所謂的單元“死”就是指刪除模型中的材料，就會有相應的單元“死亡”。

“死亡”的單元沒有被刪除，只是用一個足夠小的因子與在其單元剛度矩陣相乘，這時單元所對應的數值如質量和載荷都會近似為零。“出生”的單元也不是被重新添加，只是把以前“死亡”掉的單元重新激活，然后單元所對應的數值將被恢復為原始值。

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大型結構件焊接模擬的關鍵技術（之一）的圖5

有限元焊接模擬的主要結果舉例

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大型結構件焊接模擬的關鍵技術（之一）的圖7

某大型車架焊接過程中的殘余應力分布

大型結構件焊接模擬的關鍵技術（之一）的圖8

—  未  完  待  續  —

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