计算机模拟在焊接中的应用

计算机模拟在焊接过程的应用

摘要：数值模拟是一种对复杂的工程和物理系统进行仿真的技术，借助计算机技术,对焊接现象进行数值模拟,达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。本文概括介绍了数值模拟技术的概念及分析方法和焊接数值模拟的主要内容及意义,本文主要介绍了焊接电弧的模拟及未来焊接模拟的发展趋势。

关键词：焊接；计算机；数值模拟；焊接电弧；应用现状；

Abstract:the numerical simulation is a complicated engineering and the physical system simulation technology, with the help of computer technology, the phenomenon of welding numerical simulation of the reach of engineering problems and physical problems and even the nature of various kinds of research purpose. This paper introduces the concept and analysis method of numerical simulation technology and main content and significance of welding numerical simulation, this paper mainly introduces the simulation of welding arc and the future development trend of welding simulation.

Key words: welding; The computer; Numerical simulation; Welding arc. Application status;

随着现代科学技术的发展，数值模拟技术得到了巨大的发展。这主要有以下两个方面的原因：一是数值模拟技术可以大大节约产品开发或问题研究的人力、物力和时间。只要通过少量的试验证明建立的数学模型在处理某一问题上的适用性，那么大量的筛选工作就可以由计算机进行，而不必再车间或试验室进行大量的试验工作。这对于一些花费巨大的问题就有特别的经济意义[1]。而且有的问题非常复杂，单纯的试验很难准确的弄清问题。计算机模拟技术的出现为解决复杂问题提供了便利。

1 数值模拟方法的发展背景及过程

对焊接现象进行数值模拟,是国内外焊接工作者的热门研究课题，数值模拟技术可以帮助确定焊接各种结构和财力时的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。为焊接技术朝“理论—数值模拟—生产”模式的发展创造了条件。近年来，我国对焊接电弧的研究大多采用数值模拟技术，应用ANSYS有限元数值模拟软件对焊接电弧进行模拟，实现对电场，磁场，流场等物理场的耦合计算，大大提高了工作效率，省时省力，对焊接生产具有重要意义。

20世纪70年代初日本大阪大学的上田幸雄教授等人首先以有限元法为基础提出了考虑材料力学性能与温度有关的焊接热弹塑性分析理论导出了分析焊接

应力应变过程的表达式从而使复杂的动态焊接应力过程的分析成为可能。在此基础上又进行了深入的研究创建了“计算焊接力学”新兴学科于近期即将出版相关专著。

Argyris等人于1978年又将管道对接环焊时的焊接应力问题进行了适当的简化即认为整个圆周上的焊接是同时作用在管道上的[2]。接着Chidiac对ASS1308不锈钢材料分析了由焊接时引起的晶粒生长规律并用热弹—粘塑性方程来预测焊接热循环引起的残余应力结果发现纵向应力达到屈服应力值而横向应力约为纵向应力的一半。

2 计算机模拟计算方法

随着计算机和计算方法的飞速发展，几乎所有学科都走向定量化和精确化，从而产生了一系列计算性的学科分支，如计算物理、计算化学、计算生物学、计算地质学、计算气象学和计算材料学等。

焊接中热量的来源全部是由电弧等离子体源源不断所提供的，因此，能准确的计算电弧等离子体的温度分布是解决上述问题关键。传统的公式计算方法很难达到快速准确的要求，且计算起来较为复杂，而数值计算方法则是解决“计算”问题的桥梁和工具。数值计算方法作为一种研究并解决数学问题的数值近似解方法，是在计算机上使用的解数学问题的方法[3]。数值计算方法的种类有很多，例如数值积分法、有限差分法、有限元法等，它们在焊接领域弹塑性应力应变的研究分析以及热传导和焊接过程中的氢扩散等方面的研究已得到广泛的应用。同样，在进行等离子弧焊的数值模拟计算时，这些方法也得到广泛应用。

3 数值模拟对焊接电弧模拟

国外自20世纪70年代就开展了对焊接电弧的数值研究和模拟。将焊接电弧视为流体处理，与简单的流体不同，这种流体是由导电的粒子组成的，在运动中与磁场相互发生复杂的作用。因而焊接电弧是一种带电的流体，用磁流体动力学的理论来分析和研究。假定电弧弧柱区是局部热动态平衡，符合磁流体动力学守恒方程，但是对于阴极区和阳极区要做特殊处理⋯。

焊接电弧的数值模拟涉及到流体动力学、热力学及电磁学等许多领域，因而与热、电、磁等复杂的物理过程有关[4]。电弧遵守质量连续方程、动量方程、能量方程与麦克斯韦方程组共同构成了用于连续介质热等离子体流动与传

热数值模拟用的完整的磁流体动力学方程组，是进行数值模拟计算的理论基础[5]。

4 焊接模拟的发展方向

目前大部分的研究一方面集中于模拟焊接电弧，另一方面是对焊接熔池行为的研究。而对电弧和熔池相互作用的机理很少讨论，在许多已经发表的文献中，大部分是把电弧或者热源的作用假定为独立于熔池行为的边界条件处理，并且公认电弧电流和热流分布是高斯分布[6]，与实际条件相差较大。

未来焊接过程模拟发展的趋势是将焊接和有变形自由表面的熔池动态地结合起来，尽管这是一个复杂的移动边界问题，但这是进一步研究的具有挑战性的问题。

参考文献：

[1] 吴言高,李午申,邹宏军,等. 焊接数值模拟技术发展现状[J]. 焊接学

报,2002,23(3): 89-92.

[2] 王中辉,李冬雪. 焊接数值模拟技术的发展现状[J]. 焊管,2010,33(6): 28-31.

[3] 过增元,赵文华. 电弧和热等离子体[M]. 北京: 科学出版社,1986: 1-33.

[4] 夏胜国,刘克富,何俊佳. 两间隙毛细管等离子体射流发生器主放电数值模拟[J].强激光与粒子束[J]. 2008(06).

[5] 袁行球,李辉,赵太泽. 超声速等离子体射流的数值模拟[J]. 物理学

报,2004(08)

[6] 韩鹏. 直流电弧等离子体发生器与射流特性的数值模拟及实验研究[D]. 北京: 清华大学, 1999: 35-70.