基于sysweld+tig焊数值模拟

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1、南昌航空大学硕士学位论文第1章前言第1章前言1.1选题背景在现代化工业生产中，焊接在航空航天、船舶、汽车、核工业，石油化工、电力、电子技术、桥梁等各个工业领域有着极为广泛的应用。目前在我国工业生产中，焊接结构的重量已占钢铁总产量的50%，这一比例在工业发达国家达到了70%。焊接与其他一些工业加工方法相比具有以下优点：(1)接头强度高，工艺过程简单，工人劳动条件较好；(2)节省金属材料，减轻结构重量；(3)生产周期短，生产效率高，可大幅度降低生产成本；(4)能将结构分大为小，以小拼大，为结构设计提高较大的灵活性；(5

2、)加工与装配的工序简单，易实现机械化与自动化。焊接工艺具有众多优点的同时，也存在着一些不足之处，由于焊接是一个局部加热的过程，造成工件加热不均匀，各个部分的温度分布不一样，焊后存在残余应力，以及焊接过程中在焊接接头中易产生未焊透、未熔合、夹渣、气孔、咬边、焊瘤、烧穿、偏析、未填满、焊接裂纹等焊接缺陷。焊接过程是涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂的物理-化学过程，变量数目较多。以往焊接质量控制通常依靠经验来解决，对操作人员的专业素质要求高、经验要求丰富、依赖性强，且遇到新材料、新工艺就无任何参考可言，需要重新进行大

3、量的重复试验获得试验数据，耗时、耗力、耗材。采用科学的数值模拟方法和少量的试验论证，替代过去通过大量重复试验的方法，不仅可以大幅度地节省人力、财力和时间，还可以解决一些至今还无法在实验室中进行直接研究的复杂问题[1]。采用科学的计算方法建立焊接过程的数学模型，通过一组描述焊接物理-化学过程的数学方程来模拟整个焊接过程，不仅可以通过计算机系统来实现对复杂焊接过程的模拟和确定焊接的最佳工艺参数，为人们定量描述焊接过程中发生的复杂的变化情况，以获得对焊接过程的定量认识，深入了解焊接过程中所发生的复杂现象及本质提供了必要而

4、实用的方法，而且为实现焊接过程控制智能化奠定了基础[2]。随着计算机技术的发展，数值模拟方法越来越成熟，并成功应用到焊接工程中，成为预测焊接温度场、变形和应力场等的有效工具，它将过去的焊接技术研究模式从“理1南昌航空大学硕士学位论文第1章前言论-试验-生产”转变到“理论-计算机模拟-生产”上来，具有十分积极的意义。应湖南株洲某航空企业的要求，对航空发动机某一关键部位进行焊接数值模拟，模型如图1-1所示。该模型采用的材料为GH4169，GH4169属于沉淀强化镍基变形高温合金。该合金在-253～700℃温度范围内具有

5、良好的综合性能,650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位,具有具有良好的抗疲劳、抗氧化、抗辐射、耐腐蚀性能，且加工性能良好，能够制造各种形状复杂的零部件，在石油生产、宇航制造、核能工业及挤压模具中有着极为广泛的应用。该模型的焊接方法采用TIG焊，由于该模型结构复杂，焊缝多达24条，数量较多，通过常规的试验方法来获得较小的焊接残余应力和变形量的工作量巨大且不切实际，采用有限元软件进行数值模拟可以达到优化其工艺过程，预测焊接质量的目的，因此对该构件焊接值模拟具有重要的意义。图1-1本文所研究的模型1.2国内外焊接过程

6、数值模拟的研究历史、现状及发展趋势1.2.1焊接热源模型的研究进展与应用现状弧焊焊接热源具有局部集中、瞬时和移动的特点[3]，使得焊接温度场随热源能量的大小、加热工件的时间以及热源的空间位置变化而变化，从而导致焊接各个部分的热量分布不均匀，焊后产生残余应力和变形。因此，一个准确的焊接热源模型是保证模拟的温度场、应力场与实际结果是否吻合的重要前提。在国外，早在上世纪30年代，Rosonthal[4]提出了经典的解析模式，作用在不2南昌航空大学硕士学位论文第1章前言同形状工件的焊接热源被描述成点状、线状和面状的形式，由

7、于没有考虑到材料热物理性能随温度的变化，造成模拟结果与实际有很大的差距。Eager[5]提出了一种比点热源更符合实际的热源-高斯热源分布函数，后经Friedman和Krutzy[6]等人的改进，使得这种热源函数在当时的有限元计算时应用的比较多，但它的热源模型限定在x-y平面上，而且低速焊接时，与实际相比有很大的误差。Duranton[7]等人提出了半球状热源模型，在电弧挺度较小、对熔池冲击力较小的情况下，更切实际，但焊接熔池的真实形状大部分不是球状的，在此模型上，JohnGoldak[8]等人继续进行了改进，提出了

8、椭球形热源模型和双椭球热源模型，在实际的熔焊和激光焊中，熔池形状前后并不是对称的，双椭球热源模型较之椭球形热源模型而言，更符合实际焊接热源椭球体的前半部分温度梯度。随着计算机技术的发展，人们对精确度的要求越来越高，焊接热源的处理也有了新的进步，人们开始采取复合热源作为焊接热源进行模拟，Bachorski、MuruganS[9，10，11]等人建立以熔滴为第二