-
焊接是一个涉及诸多学科的复杂的物理化学冶金过程，描述焊接过程的变量数目繁多，单凭积累工艺试验数据了解和控制焊接过程不切实际且成本昂贵、效率低。焊接过程中除了包含由于快速不均匀加热至高温引起的材料热物理性能变化而导致传热过程的非线性外，还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象[9]。数值模拟历经不同时代不同国家学者在不同领域的研究，综合在一起，形成了数值模拟完整的一套体系，并在各个学科领域得到了迅速的发展与应用，现代工程学形成和发展很大部分依靠了数值模拟的研究成果。在国外，对于焊接过程中温度场的数值模拟研究相对于国内要早，早在1939 年Rosentha就对点状移动热源传热方程进行求解，并与实验结果相一致。苏联科学院的H．Rykalin院士[10]提出了点、线、面三种热源，建立了焊接传热学的理论基础，对焊接过程的传热问题进行了详细的研究。1966 年,Wilson和Nickell用有限元方法进行热传导过程的分析和计算，1976年美国的G. W.格鲁斯建立有限元模型，分析了二文焊接温度场。在20世纪中期，国内外学者开始借助数值法解决传热学中的温度分布问题。数值解法主要有差分法 、有限元法 、数值积分法 、蒙特卡洛法等[11]，差分法的本质是用差商代替微商，求解时先对求解区域离散化，将微分方程和边界条件的的解变成线性代数方程组的解。差分法的主要优点在于适用于规则的几何形状和均匀的材料属性，因此具有局限性。这里主要介绍有限元法。30716
- 上一篇：超高强钢的焊接研究现状
- 下一篇：主动式横向稳定杆国内外研究现状概况
现在有限元法已经是普遍而且高效的数值模拟方法。科学计算领域，常常需要求解各类复杂的微分方程，应用数值微积法难以求得微分方程的解析解，使用有限元法将微分方程离散化后，利用计算机可以编制程序，辅助求解，简化运算程序。有限元法早期应用于航空飞机结构的矩阵分析，以变分原理为基础，因其依据的理论具有普遍性，逐渐发展成为分析焊接热传导、焊接塑性变形和断裂力学的有力工具，被广泛应用于求解各类连续介质和物理场问题。在焊接领域，有限元方法是将连续的物体离散化，分解为由有限元单元组成的模型 ，即进行网格划分，且不受边界条件，几何形状和材料特性的限制，进而对离散化模型求数值解 。有限元法的主要优点理论具有普遍性，容易掌握；灵活性很好 ，适用于建立各种形状和材料特性的模型；编制计算机程序可以快速求解 。在焊接领域，有限元法广泛应用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接[12]。论文网
在国内对温度场的有限元模拟起步较晚，1981年西安交通大学唐幕尧等人首次使用有限元法对薄板准稳态焊接温度场分析和计算，但是忽略了工作表面的热损失以及材料热物理参数的变化以及焊接过程中的非线性问题，数值模拟结果与实际测量结果相差较大。1996年蔡洪能，唐慕尧等学者对TIG焊接温度场进行有限元分析，建立了合理的三文数值分析模型并引入热焓的概念和表面双椭球热源分布模型，计算结果与实验结果相吻合[13]。上海交通大学的汪建华[14]等对三文瞬态温度场和热传导过程进行有限元数值模拟，提出了提高数值模拟计算精度的各种办法研究工作。武传松对焊接热过程进行了较为系统的数值研究，在分析焊接热过程时，针对以往模型中只注重熔池过程，指出影响焊接熔池液体动力学状态及传热因素[15]。他首先建立了电弧固定时TIG焊接熔池内部液体流动状态及传热过程的二文数学模型：然后又给出运动电弧作用下TIG焊接三文数值分析模型得出了 TIG 焊接熔池的形状、尺寸和热影响区的温度分布。清华大学的鹿安理、蔡志鹏[16]等则研究了大型结构的焊接变形数值模拟，提出了分段移动热源；北京交通大学的王勇阳朝对薄板熔化焊接的过程的温度场与残余应力场进行模拟，与实验结果对比结果比较符合。在残余应力的数值模拟研究方面，焊接热弹塑性理论取得了很大的发展，被用于研究各种接头形式(如角接接头、厚板深坡口的多道焊接头等)以及各种复杂结构连接的焊接应力分布情况。