焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬研究

王愛(ài)民（遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬研究

王愛(ài)民（遼寧石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

在焊接過(guò)程當(dāng)中，焊接中的各種物理參數(shù)的變化會(huì)對(duì)焊接產(chǎn)生相應(yīng)的變形影響。這些參數(shù)包括結(jié)構(gòu)方面的參數(shù)、材料參數(shù)以及加工參數(shù)等。本文主要對(duì)焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬展開(kāi)研究。

焊接應(yīng)力；變形；數(shù)值模擬研究

在整個(gè)焊接的過(guò)程當(dāng)中，由于焊接時(shí)溫度分布不同，焊接材料之間也會(huì)呈現(xiàn)不同的收縮率。這些因素的存在會(huì)在一定層面上導(dǎo)致焊接材料之間的變形。這種變形有持久的也有暫時(shí)的。目前，關(guān)于焊接變形與焊接應(yīng)力相關(guān)的研究，在學(xué)術(shù)領(lǐng)域和實(shí)踐領(lǐng)域并沒(méi)有達(dá)成很大的共識(shí)。隨著計(jì)算機(jī)等技術(shù)在焊接領(lǐng)域應(yīng)用的不斷廣泛，更好地通過(guò)模擬的方式來(lái)探討焊接應(yīng)力與變形成為當(dāng)前該領(lǐng)域研究的主要方向。

1 焊接應(yīng)力變形數(shù)值模擬理論發(fā)展

在學(xué)術(shù)領(lǐng)域，相關(guān)學(xué)者通過(guò)實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)的方式，對(duì)焊接應(yīng)力變形進(jìn)行了初步的分析。從整體上來(lái)看，其探討僅僅是在表面形式化的方面。隨著計(jì)算機(jī)在焊接領(lǐng)域研究的不斷深入，關(guān)于焊接應(yīng)力變形數(shù)值模擬也呈現(xiàn)出更加多元的方向發(fā)展。例如，通過(guò)把所有參數(shù)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。然后利用實(shí)驗(yàn)的假設(shè)條件，把彈性分析和靜態(tài)分析結(jié)合在一起，可以有效的減少相關(guān)的模擬時(shí)間，從而提高整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

這種方法在新材料、新工藝的水平的作用下，已經(jīng)符合了當(dāng)前的生產(chǎn)及實(shí)踐的需要，對(duì)于今后的焊接應(yīng)力及變形模擬提供了有效的基礎(chǔ)。有學(xué)者指出：焊接數(shù)值模擬精確建模研究包括精確材料模型的建立,以及夾具拘束作用模型的建立。通過(guò)熱力學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究焊接熱循環(huán)溫度歷史對(duì)兩種有代表性的鋁合金材料屈服強(qiáng)度的影響，建立了材料性能依賴于溫度及溫度歷史的材料模型，提高了焊接數(shù)值模擬的計(jì)算精度。

2 焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬

在進(jìn)行焊接的過(guò)程當(dāng)中，焊接材料經(jīng)過(guò)快速加熱的過(guò)程，然后進(jìn)行凝固和冷卻，通過(guò)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析，可以有效的說(shuō)明材料的變形特點(diǎn)。在進(jìn)行模型的構(gòu)建過(guò)程當(dāng)中，由于模型本身具有一定的可塑性，由于時(shí)間短暫，其發(fā)生的塑性應(yīng)變相對(duì)較小，所以要發(fā)現(xiàn)這種應(yīng)變曲線和彈性之間的關(guān)系。

有學(xué)者通過(guò)二維模型將太素體、珠光體等分?jǐn)?shù)進(jìn)行變量估計(jì)并且得出了相反的結(jié)論。馬氏體相比較而言。從實(shí)際計(jì)算的角度來(lái)看，可以很難進(jìn)行相關(guān)測(cè)量。在傳統(tǒng)的應(yīng)變數(shù)學(xué)描述來(lái)說(shuō)，小一點(diǎn)的假設(shè)，對(duì)整個(gè)情況的變形來(lái)說(shuō)是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

這種假設(shè)忽略了角度是在旋轉(zhuǎn)，而且還會(huì)實(shí)現(xiàn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的假象。在解決焊接中焊縫的過(guò)程當(dāng)中，還需要進(jìn)行相應(yīng)額模擬與計(jì)算。

3 焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬的具體應(yīng)用

為了達(dá)到理想的模擬效果，首先解決熱源處理問(wèn)題。焊接力學(xué)的模擬其中的關(guān)鍵技術(shù)就是熱源處理。在力學(xué)模擬中的技術(shù)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都在想方設(shè)法提高其計(jì)算效率，在高斯熱源的相關(guān)技術(shù)上，通過(guò)輸入熱功率來(lái)提升模型?；蛘哌M(jìn)行熱源的結(jié)合來(lái)提出一些靈活實(shí)用的模型。借助熱源進(jìn)行平板對(duì)焊的比較從而得出近似的結(jié)果。進(jìn)行相關(guān)的實(shí)際計(jì)算，通過(guò)問(wèn)題和網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，提高整體的性能效率。利用網(wǎng)格來(lái)提高整體的靈活性和方便性。網(wǎng)格技術(shù)，在進(jìn)行焊接應(yīng)力研究中具有豐富的溫度變化。因此一般相關(guān)部位進(jìn)行網(wǎng)格的加密，這種焊接主要為移動(dòng)熱源。有學(xué)者開(kāi)展了不同尺寸與結(jié)構(gòu)形式的焊后殘余變形預(yù)測(cè)，焊接驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證明了數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的分析方法，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)焊后沿母線的下凹撓曲變形主要由焊縫的橫向收縮引起。

由于離焊縫較遠(yuǎn)所以并不會(huì)形成過(guò)大的溫度梯度，會(huì)造成一定存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)，這會(huì)在很大程度上提高了整體的預(yù)算成本。所以通過(guò)三維焊接模擬可以隨著熱源的移動(dòng)，然后整個(gè)網(wǎng)格也會(huì)移動(dòng)。它可以通過(guò)一定的自身誤差來(lái)實(shí)行網(wǎng)格的細(xì)化，最終將誤差減小最低值。一旦誤差減少到最低之后，它又會(huì)重新回到原始狀態(tài)。需要注意的是在進(jìn)行焊接應(yīng)力過(guò)程當(dāng)中，相關(guān)的熱彈塑性分析也需要進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，因?yàn)樗鼱砍兜秸麄€(gè)誤差的判定問(wèn)題，

4 焊接應(yīng)力和變形的數(shù)值模擬計(jì)算

在整個(gè)焊接應(yīng)力研究中，計(jì)算技術(shù)是一項(xiàng)研究的主要手段，通過(guò)借助現(xiàn)代數(shù)學(xué)相關(guān)的研究領(lǐng)域，可以進(jìn)行有限元的求解，其主要關(guān)注的是一些非線性問(wèn)題。有學(xué)者利用軟件對(duì)其效率進(jìn)行了種類齊全的匹配。通過(guò)CPU的計(jì)算可以減少百分之四百到六百，但是，由于計(jì)算程序編程的復(fù)雜性導(dǎo)致這一領(lǐng)域很難得到大的開(kāi)展。相信隨著未來(lái)整個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的不斷開(kāi)拓，相關(guān)的技術(shù)也會(huì)得到發(fā)展。在今后的模擬計(jì)算的過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)充分考慮到數(shù)學(xué)運(yùn)算的基本規(guī)律與具體的焊接應(yīng)用之間所存在的差距。通過(guò)科學(xué)的方式來(lái)最大效度的提升整個(gè)的模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與有效性。隨著計(jì)算機(jī)在該領(lǐng)域應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，其在今后的數(shù)值模擬計(jì)算的價(jià)值與意義也將會(huì)得到一個(gè)更大層面的彰顯。需要指出的是，這是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，需要借助理論與實(shí)踐的結(jié)合來(lái)得到更大水平的提高。

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)在突飛猛進(jìn)，焊接數(shù)值模擬也得到了相關(guān)的發(fā)展，如何把模擬成果利用到焊接力學(xué)是當(dāng)前整個(gè)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)，但是在具體的物理模型模型的建構(gòu)方面還存在著很大的提升空間，希望本文的研究能夠有助于焊接技術(shù)相關(guān)的發(fā)展與應(yīng)用。

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