歐青華

1 引言

傳統(tǒng)的針對(duì)軍用裝備的焊接維修方式已經(jīng)明顯不能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)裝備的毀壞是巨大的，因此，需要在技術(shù)上有大幅度提高，保證維修過(guò)程的迅速準(zhǔn)確。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。倘若對(duì)工程裝備的焊接能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，我們就能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)確定焊接的最佳設(shè)計(jì)、最佳參數(shù)和最佳工藝。

通過(guò)數(shù)值模擬可以在很大程度上節(jié)約戰(zhàn)場(chǎng)人力、物力和拓展戰(zhàn)場(chǎng)時(shí)間，特別是面對(duì)復(fù)雜的大型軍用裝備，該類型軍用裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接過(guò)程中需要更精確的參數(shù)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及有限元法的建立，越來(lái)越多的焊接工作者利用數(shù)值模擬技術(shù)研究焊接問(wèn)題，并取得了豐富的成果。

本文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，全面系統(tǒng)地論述了焊接溫度場(chǎng)的基本理論，并應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)平板堆焊溫度場(chǎng)進(jìn)行了軍用工程機(jī)械數(shù)值模擬計(jì)算。本文主要內(nèi)容為：

1.通過(guò)對(duì)高斯熱源的焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，討論了焊接參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

2.用直接法模擬計(jì)算焊接溫度場(chǎng)，得出最佳參數(shù)。

軍用工程機(jī)械焊接數(shù)值模擬的現(xiàn)實(shí)意義在于，根據(jù)對(duì)焊接現(xiàn)象和過(guò)程的數(shù)值模擬，可以優(yōu)化工藝參數(shù)，從而減少不必要工作，提高焊接質(zhì)量和效能。

2 有限元分析的理論基礎(chǔ)

有限元法（Finite Element Method， FEM），又稱為有限單元法或有限元素法，基本思想是將求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互連接在一起的單元的組合體。它是隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種新型現(xiàn)代計(jì)算方法。

2.1 有限元法介紹

將物理結(jié)構(gòu)分割成不同類型、不同大小的區(qū)域，這些區(qū)域就稱為單元。根據(jù)不同進(jìn)行科學(xué)分析，推導(dǎo)出每一個(gè)單元的作用力方程，集成整個(gè)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方程，最后求解該系統(tǒng)方程并得出結(jié)論的方法，就是有限元法。簡(jiǎn)單地說(shuō)，有限元法是一種離散化的數(shù)值方法。離散后的單元與單元間只通過(guò)節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，將所有力和位移都進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)每個(gè)相應(yīng)單元，選取合適的插值函數(shù)，使得該函數(shù)在子域內(nèi)部、自語(yǔ)分界面上以及子域與外界分界面上都滿足一定的條件。然后將所有單元的方程組合起來(lái)，得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的方程。求解該方程，最終可以得到結(jié)構(gòu)的近似解。

離散化是有限元方法的理論基礎(chǔ)。必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況，決定單元的數(shù)目、類型、大小、形狀以及排列方式。其目的是：將整個(gè)結(jié)構(gòu)分割成足夠小的單元，使得簡(jiǎn)單位移模型足夠近似地表示精確解。注意，又不能太小，否則計(jì)算量很大。

2.2 ANSYS軟件介紹

ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件。能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、聲、熱、流體、電磁場(chǎng)等科學(xué)的研究，在核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、汽車交通、國(guó)防軍工、日用家電等各個(gè)領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。ANSYS總共包括100多個(gè)單元，提供了對(duì)各種物理場(chǎng)量的分析功能，可以將其應(yīng)用到如下學(xué)科：

ANSYS的設(shè)計(jì)優(yōu)化功能可以優(yōu)化任何方面的約束變量和設(shè)計(jì)變量，如形狀、應(yīng)力、自然頻率、溫度、磁勢(shì)、壓力、速度或離散量等，并可進(jìn)行參數(shù)、形狀、拓?fù)鋬?yōu)化。

ANSYS軟件主要包括以下三個(gè)部分：

1.前處理模塊，前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；

2.分析計(jì)算模塊，分析計(jì)算模塊包括可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析、電磁場(chǎng)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、聲場(chǎng)分析、壓電分析以及多物理場(chǎng)的藕合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；

3.后處理模塊，后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來(lái)，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。

2.3 焊接有限元模型的簡(jiǎn)化

焊接是涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過(guò)程。焊接現(xiàn)象包括焊接時(shí)的電磁、傳熱過(guò)程、金屬的熔化和凝固、冷卻時(shí)的相變、焊接應(yīng)力與變形等等。它們之間的相互關(guān)系如圖3.1所示。

圖中十分強(qiáng)調(diào)相變行為的影響，并顯示出有限元分析中基本輸入和輸出參數(shù)。在焊接熱力學(xué)模擬時(shí)，通常著重考慮溫度場(chǎng)、應(yīng)力、變形及顯微組織之間相互影響，而忽略其它因素，因此圖3.1可簡(jiǎn)化為圖3.2。圖3.2中箭頭表示是相互的影響：實(shí)線箭頭表示強(qiáng)烈的影響，虛線箭頭表示較弱的影響。

從圖1.2可以看出，影響焊接應(yīng)力應(yīng)變的因素有焊接溫度場(chǎng)和金屬顯微組織，而焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)和顯微組織的影響卻很小，所以在分析時(shí)，一般僅考慮單向藕合問(wèn)題，即焊接溫度場(chǎng)和金屬顯微組織對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的影響，而不考慮應(yīng)力場(chǎng)對(duì)它們的影響。但如果焊件的應(yīng)力應(yīng)變大到影響焊件溫度場(chǎng)分布，就不得不考慮雙向耦合了，本文研究焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)雙向耦合的條件下進(jìn)行計(jì)算。此外，金屬相變對(duì)焊接溫度場(chǎng)有影響，但影響不是很大，因?yàn)榭紤]相變潛熱對(duì)其溫度場(chǎng)的影響較容易，所以本文考慮它對(duì)溫度場(chǎng)的影響。

3 焊接溫度場(chǎng)模擬

根據(jù)前文可知焊接過(guò)程溫度場(chǎng)分析是屬于瞬態(tài)熱分析范疇，其應(yīng)力分析則屬于熱—力耦合分析。對(duì)于焊接的熱應(yīng)力研究，ANSYS提供了三種進(jìn)行熱應(yīng)力分析的方法：

1、在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中直接定義節(jié)點(diǎn)的溫度如果所有節(jié)點(diǎn)溫度已知，則可以通過(guò)BF ，BFE或BFK命令直接定義節(jié)點(diǎn)溫度。節(jié)點(diǎn)溫度在應(yīng)力分析中作為體載荷，而不是節(jié)點(diǎn)自由度。

2、間接法首先進(jìn)行熱分析，然后將求得的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。

3、直接法使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時(shí)得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的結(jié)果。

如果節(jié)點(diǎn)溫度已知，可直接使用第一種方法，但是節(jié)點(diǎn)溫度一般很難知道，所以，在大多數(shù)情況下推薦使用第二種和第三種方法一一間接法和直接法。在選用直接法和間接法時(shí)主要考慮熱分析的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的影響程度。

（1）間接法可以使用所有熱分析和結(jié)構(gòu)分析的功能。如果熱分析是瞬態(tài)的，只需要找出溫度梯度最大的時(shí)間點(diǎn)，并將此時(shí)間點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加到結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。一般來(lái)說(shuō)，在熱分析結(jié)果對(duì)應(yīng)力分析影響比較小的情況下，即主要考慮熱分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的影響，而不考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析結(jié)果反過(guò)來(lái)對(duì)熱分析的影響時(shí)，這種單向耦合計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)選用間接法。

（2）直接法主要用于熱與結(jié)構(gòu)的雙向藕合，即熱分析的結(jié)果影響結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，同時(shí)結(jié)構(gòu)變形又會(huì)影響熱分析。這種順序耦合計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力一般選用直接法。

但在本課題研究中，本文采用了直接法進(jìn)行數(shù)值模擬。

基于ANSYS的焊接過(guò)程模擬主要有以下過(guò)程：

1、建模包括建立幾何模型、確定材料的特性參數(shù)、網(wǎng)格劃分

2、邊界條件的處理包括建立幾何約束條件、環(huán)境條件的處理

3、確定移動(dòng)熱源包括確定移動(dòng)熱源模型及加載

4、確定載荷步驟包括加熱過(guò)程中的載荷時(shí)間步長(zhǎng)及冷卻過(guò)程中時(shí)間步長(zhǎng)處理

本文根據(jù)上述的步驟通過(guò)下圖的模型對(duì)基于ANSYS焊接數(shù)值模擬中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。由于計(jì)算機(jī)硬件條件的限制，計(jì)算中試件的尺寸選的較小。

工件尺寸為120mm x 120mm x 6mm，材料為25#鋼，電弧中心在KI線上沿X方向移動(dòng)。實(shí)際模型簡(jiǎn)圖如圖1.3所示。

焊接參數(shù)如下：

電弧電壓U=25V；焊接電流I=180A；焊接速度=10mm/s；

焊接熱效率η=0.75；電弧有效加熱半徑R=6mm。

3.1 幾何模型的確定

一般地，在焊接過(guò)程中，焊接熔池、被焊工件之間甚至被焊工件與焊嘴之間均發(fā)生著劇烈的物理、化學(xué)反應(yīng)，其間包括焊接熔池中的流體動(dòng)力學(xué)和熱過(guò)程，熱源與金屬間的相互作用，焊縫金屬凝固和焊接接頭的相變過(guò)程。每種現(xiàn)象互相關(guān)聯(lián)但又各自自成一體，而具體到本文的內(nèi)容則著重分析焊接結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)的瞬態(tài)變化情況。因而，在進(jìn)行仿真分析時(shí)，應(yīng)該弱化處理甚至不處理那些對(duì)溫度場(chǎng)影響微弱的因素。例如，針對(duì)焊接熔池中的流體動(dòng)力學(xué)和熱過(guò)程，可以僅考慮熔池內(nèi)部液態(tài)金屬對(duì)流傳熱對(duì)熔池形狀的影響結(jié)果，而對(duì)其中液態(tài)金屬具體如何流動(dòng)以及表面張力梯度如何變化等問(wèn)題不做細(xì)致分析。

另外，考慮到厚板三維模型網(wǎng)格劃分后其單元數(shù)量龐大，使得計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)：材料物理參數(shù)的嚴(yán)重非線性導(dǎo)致求解過(guò)程收斂困難；焊接過(guò)程影響了數(shù)值模擬的精度等諸多因素，需對(duì)分析模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化處理（例如減小模型尺寸），并作如下的假設(shè)：

1.焊件的初始溫度為室溫（25℃）；

2.忽略熔池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)和攪拌、對(duì)流等現(xiàn)象；

3.焊接以恒定速度V進(jìn)行，電弧的能量密度服從高斯分布；

4.不考慮焊件與實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間的熱傳導(dǎo)，假設(shè)焊件的所有外邊界僅與空氣發(fā)生對(duì)流換熱，將輻射換熱的影響禍合到對(duì)流換熱中，而不作單獨(dú)考慮；

5.忽略焊條與母材材料的不一致性，對(duì)應(yīng)統(tǒng)一的隨溫度變化的熱物性參數(shù)。

在ANSYS中，如果分析對(duì)象呈對(duì)稱的幾何形狀，并且所受載荷也對(duì)稱，則可考慮只計(jì)算模型的一部分，并且在對(duì)稱點(diǎn)、面、線或面上施加對(duì)稱邊界條件。本文所研究的是同種工件的對(duì)接焊，工件形狀及其載荷均沿焊縫對(duì)稱故而，可以只考慮對(duì)其中的一半建模。

3.2 焊接溫度場(chǎng)結(jié)果分析

下面是焊接過(guò)程的各時(shí)間段的溫度場(chǎng)分布云圖。其中圖1.5-1.8為加熱過(guò)程的溫度場(chǎng)分布云圖，圖1.9-1.12為冷卻過(guò)程的溫度場(chǎng)分布云圖。

從圖1.5-1.8的焊接加熱過(guò)程的溫度場(chǎng)分布云圖上我們可以看到，加熱開始一段時(shí)間內(nèi)，溫度很不穩(wěn)定，而且焊件升溫迅速。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，焊件上會(huì)形成準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)，即焊件上各點(diǎn)的溫度雖然隨時(shí)間變化，但各點(diǎn)固定的溫度跟隨熱源一起移動(dòng)?？梢郧宄乜吹剑M(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)后，溫度云圖上的等溫線形狀呈現(xiàn)為以焊接方向?yàn)殚L(zhǎng)軸的四分之一近似橢圓形，焊接熱源前方等溫線密集，溫度梯度大，后方等溫線稀疏，溫度梯度小。

從13s后，焊件進(jìn)入冷卻階段，焊件的溫度下降很快，等溫線的范圍不斷擴(kuò)大，最后各點(diǎn)溫度逐漸趨于環(huán)境溫度。

4 本文小結(jié)

本文主要在軍用工程機(jī)械焊接中引入的有限元方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，對(duì)裝備維修中涉及的焊接模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，利用ANSYS強(qiáng)大的后處理功能對(duì)不同時(shí)刻的焊接溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行了分析，準(zhǔn)確掌握了各個(gè)階段的合理數(shù)值，為今后從事軍事裝備焊接研究提供了方向，為進(jìn)一步提高軍事裝備的作戰(zhàn)能力奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。