數(shù)值模擬在焊接領(lǐng)域的現(xiàn)狀和發(fā)展前景.doc

數(shù)值模擬在焊接領(lǐng)域的現(xiàn)狀和發(fā)展前景焊接是一個(gè)涉及電弧物理、傳質(zhì)傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，單純采用理論方法，很難準(zhǔn)確的解決生產(chǎn)實(shí)際問題。因此，在研究焊接生產(chǎn)技術(shù)時(shí)，往往采用試驗(yàn)手段作為基本方法，其模式為“理論試驗(yàn)生產(chǎn)”，但大量的焊接試驗(yàn)增加了生產(chǎn)的成本，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，引發(fā)了虛擬制造技術(shù)的熱潮，這其中就包括焊接熱加工過程的數(shù)值模擬。焊接數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)，為焊接生產(chǎn)朝“理論數(shù)值模擬生產(chǎn)”模式的發(fā)展創(chuàng)造了條件。焊接數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展使焊接技術(shù)正在發(fā)生著由經(jīng)驗(yàn)到科學(xué)、由定性到定量的飛躍。焊接數(shù)值模擬，是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，采用一組控制方程來描述一個(gè)焊接過程或一個(gè)焊接過程的某一個(gè)方面，采用分析或數(shù)值方法求解以獲得該過程的定量認(rèn)識。焊接數(shù)值模擬的關(guān)鍵是確定被研究對象的物理模型及其控制方程。而焊接物理模擬是采用縮小比例或簡化了某些條件的模擬件來代替原尺寸形狀的實(shí)物研究。物理模擬可以校驗(yàn)、校核數(shù)值模擬的結(jié)果，作為數(shù)值模擬的必要補(bǔ)充。數(shù)值模擬是對具體對象抽取數(shù)學(xué)模型，然后用數(shù)值分析方法，通過計(jì)算機(jī)求解。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，開發(fā)了許多不同的科學(xué)方法，其中有：（1） 差分法法；（2）有限元法；（3）數(shù)值積分法；（4）蒙特卡洛法。目前，焊接數(shù)值模擬已遍及各個(gè)焊接領(lǐng)域，主要研究內(nèi)容有：（1）焊接熱傳導(dǎo)分析；（2）焊接熔池流體動力學(xué)；（3）電弧物理；（4）焊接冶金和焊接接頭組織性能的預(yù)測；（5）焊接應(yīng)力與變形；（6）焊接過程中的氫擴(kuò)散；（7）特殊焊接過程的數(shù)值分析，如電阻點(diǎn)焊、陶瓷金屬連接、激光焊接、摩擦焊接和瞬態(tài)液相焊接等；（8）焊接接頭的力學(xué)行為。焊接數(shù)值模擬的理論意義在于，通過對復(fù)雜或不可觀察的現(xiàn)象進(jìn)行定量分析和對極端情況下尚不知的規(guī)則的推測和預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜焊接現(xiàn)象的模擬，以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象本質(zhì)，弄清焊接過程規(guī)律。焊接數(shù)值模擬的現(xiàn)實(shí)意義在于，根據(jù)對焊接現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，從而減少試驗(yàn)工作量，提高焊接接頭的質(zhì)量。我國焊接界數(shù)值模擬研究起步于80年代初，近年來很多的科研單位和個(gè)人投入到了這項(xiàng)研究中，并取得了積極的進(jìn)展。國內(nèi)也開發(fā)了不少焊接應(yīng)用軟件， 包括焊接專家系統(tǒng)。所謂專家系統(tǒng)就是把某一領(lǐng)域的人類專家知識，存儲在計(jì)算機(jī)的知識庫中，通過系統(tǒng)進(jìn)行推理，使計(jì)算機(jī)能夠以和人類專家相近的水平解決該領(lǐng)域的問題。如清華大學(xué)開發(fā)的通用型弧焊工藝專家系統(tǒng)、哈工大和哈鍋開發(fā)的焊接工程數(shù)據(jù)庫及專家系統(tǒng)、太原重機(jī)廠研制的焊接工藝規(guī)程設(shè)計(jì)CAPP系統(tǒng)等。此外，一些高等院校和企業(yè)還開發(fā)了焊接裂紋預(yù)測系統(tǒng)、焊接變形預(yù)測系統(tǒng)、焊條配方優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)、有缺陷焊接結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助可靠性評定系統(tǒng)等。計(jì)算機(jī)具有非常強(qiáng)大的數(shù)學(xué)計(jì)算和邏輯推理能力，可以模擬各種復(fù)雜現(xiàn)象的再現(xiàn)。通過數(shù)值模擬，可以部分代替大量的試驗(yàn)工作，具有很大的優(yōu)越性和高的效益。焊接是一個(gè)牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，要得到一個(gè)高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)必須要控制這些因素。近20年來，國內(nèi)外都對焊接預(yù)測理論和數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行了許多研究，取得了不少成果。焊接過程模擬包括焊接熔池模擬和焊接電弧傳熱傳質(zhì)過程模擬等。關(guān)于焊接熔池中的流體流動和傳熱過程，國內(nèi)外已做了不少研究工作。認(rèn)為影響熔池流動的主要因素有：電磁力、表面張力和自然對流等。德國 Aachen大學(xué)ISF焊接研究所對薄板氣體保護(hù)弧焊焊接熔池進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，分析了電磁、熱力學(xué)和流體動力學(xué)對氣體保護(hù)弧焊過程的影響。該模擬程序可計(jì)算焊縫形狀和各點(diǎn)的熱循環(huán)，并可根據(jù)焊縫的形狀來確定焊接參數(shù)。關(guān)于焊接變形和應(yīng)力數(shù)值分析的研究，內(nèi)容十分豐富，目前已發(fā)展為一門新的專門學(xué)科計(jì)算焊接力學(xué)，國內(nèi)在80年代初西安交通大學(xué)和上海交通大學(xué)等就開始了關(guān)于焊接熱彈塑性理論及在數(shù)值分析方面的研究工作。90年代上海交通大學(xué)與日本大阪大學(xué)對三維焊接應(yīng)力和變形問題進(jìn)行了共同研究，提出了改善計(jì)算精度和收斂性的若干途徑，發(fā)展了有關(guān)的三維焊接分析程序并有不少成功的應(yīng)用實(shí)例。近年來清華大學(xué)、天津大學(xué)也進(jìn)行了焊接力學(xué)過程的數(shù)值模擬。此外在焊接接頭力學(xué)行為分析方面，數(shù)值模擬也是一個(gè)重要的工具。多年來，我們從事焊接力學(xué)數(shù)值模擬領(lǐng)域的研究，進(jìn)行了較廣泛的國際合作，取得以下主要成果:a.研制了適合于各種焊接熱輸入條件下的焊接傳熱有限元分析方法和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，解決了震蕩等問題，提高了計(jì)算精度。b.研究了提高三維焊接熱彈塑性有限元計(jì)算精度和穩(wěn)定性的有效方法并研制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序，且在若干三維復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的分析以及失穩(wěn)變形分析中得到成功的應(yīng)用。c.成功地進(jìn)行了考慮相變的動態(tài)和殘余應(yīng)力的分析研究。d.引入考慮高溫蠕變的粘彈塑性有限元方法，對局部焊后熱處理的評定準(zhǔn)則進(jìn)行了全面的研究，提出了新的評定方法，受到國際上廣泛重視。e.提出和發(fā)展了基于彈性計(jì)算的預(yù)測焊接變形的殘余塑變有限元方法，包括采用三維、板殼單元和考慮大變形，為大型復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的分析提供了強(qiáng)有力的工具。該項(xiàng)技術(shù)為實(shí)際工程應(yīng)用帶來了突破性的進(jìn)展。f.成功建立了若干特種焊接和連接方法的數(shù)學(xué)模型，如陶瓷金屬擴(kuò)散連接的殘余應(yīng)力和過渡層的優(yōu)化選擇，鍍鋅鋼板的電阻點(diǎn)焊，脹管連接模型，水火彎板，攪拌摩擦焊接的傳熱和力學(xué)模型等，均取得很好的效果。近10年來，焊接數(shù)值模擬技術(shù)不斷向深度、廣度發(fā)展，研究工作已普遍由建立在溫度場、電場、應(yīng)力應(yīng)變場基礎(chǔ)上的旨在預(yù)測宏觀尺度的模擬進(jìn)入到以預(yù)測組織、結(jié)構(gòu)、性能為目的的中觀尺度及微觀尺度的模擬階段；由單一的溫度場、電場、流場、應(yīng)力應(yīng)變場、組織模擬進(jìn)入到耦合集成階段；由共性通用問題轉(zhuǎn)向難度更大的專用特性問題，包括解決特種焊接模擬及工藝優(yōu)化問題，解決焊接缺陷消除等問題；由孤立研究轉(zhuǎn)向與生產(chǎn)系統(tǒng)及其它技術(shù)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)集成，成為先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要組成部分。經(jīng)過多年研究，中國已經(jīng)形成了一批較成熟的準(zhǔn)商品化的軟件，但與發(fā)達(dá)國家相比，有較大差距。應(yīng)盡量以國外成熟商業(yè)軟件為基礎(chǔ)，將改進(jìn)提高與普及應(yīng)用相結(jié)合，加快數(shù)值模擬軟件開發(fā)。要在工廠及科研單位普及這項(xiàng)技術(shù)，使之成為優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)、科技攻關(guān)、技術(shù)創(chuàng)新的重要手段；要重視與物理模擬和測試技術(shù)的配合使用，提高數(shù)值模擬的精度和速度；要加強(qiáng)焊接數(shù)值模擬基礎(chǔ)理論及缺陷形成原理的研究；要多渠道集資，支持?jǐn)?shù)值模擬研究工作；另外，中國目前的研究工作，有一些已接近或達(dá)到國際先進(jìn)水平，應(yīng)瞄準(zhǔn)目標(biāo)，集中優(yōu)勢力量，爭取做出更大的成績。在發(fā)展焊接數(shù)值模擬技術(shù)和建立數(shù)學(xué)模型的過程中，應(yīng)十分重視實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作和充分考慮有關(guān)現(xiàn)象的所有知識，使數(shù)學(xué)模型能反映真實(shí)現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律。只有這樣才能使焊接數(shù)值模擬技術(shù)得到真正的發(fā)展和成功的應(yīng)用。目前存在的一個(gè)重要問題是材料性能，特別是高溫時(shí)的性能數(shù)據(jù)還很不足，給焊接過程數(shù)值分析帶來不少困難。因此積累和建立各種基本性能和參數(shù)的數(shù)據(jù)庫也是促使焊接數(shù)值模擬發(fā)展的一個(gè)重要課題，可以相信，隨著人們對焊接過程和現(xiàn)象認(rèn)知的進(jìn)一步深入以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，焊接數(shù)值模擬技術(shù)也必將越來越發(fā)展并具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)日新月異的發(fā)展，制造業(yè)在以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的先進(jìn)制造技術(shù)帶動下，將有一個(gè)很大的變化。焊接數(shù)值模擬技術(shù)也有了很大的發(fā)展，提高到了一個(gè)新的階段。已有的數(shù)值研究成果已使我們對復(fù)雜的焊接力學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)和規(guī)律有了進(jìn)一步的深入了解，從而為解決和控制這些問題帶來了新思路和新方法， 并在工程中有了不少成功的應(yīng)用實(shí)例?？梢韵嘈?，隨著人們對焊接過程和現(xiàn)象認(rèn)知的進(jìn)一步深入以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高度發(fā)展，計(jì)算機(jī)與數(shù)值模擬技術(shù)在焊接中應(yīng)用也必將越來越發(fā)展并具有廣闊的前景。到2020年，計(jì)算機(jī)分析、數(shù)值模擬、自動化制造，將在焊接中廣泛運(yùn)用，焊接將徹底轉(zhuǎn)變?yōu)橐婚T科學(xué)。在焊接技術(shù)由經(jīng)驗(yàn)向科學(xué)的轉(zhuǎn)變過程中，焊接工藝