焊接过程数值分析中的分段移动热源.pdf

第三属计算枕在焊接中的应用技术交流会论文集 数值模拟与仿真 焊接过程数值分析中的分段移动热源1 清华大学 赵海燕鹿安理蔡志鹏吴苏 摘要在焊接过程的数值分析中．能量高度集中的移动热源需要细密的网格和租细的步长，才幢比较精确地横拟焊 接过程，但是这同时会大大增加计算时间和同格划分的工作量，使大型结构的分析十分昂贵。本文提出的分段移动热源 模型在保证一定计算精度的前提下，可大大减步计算时阅，提高计算效率。 美键词：焊接结构、数值分析，有限元、分段移动热薄 0前言 由于金属材料中热传播的速度非常快，焊接时必须采用高度集中的热源，才能使焊接部位形成熔 化区，因此焊接时的温度场非常不均匀和不稳定，这正是引起残余应力和变形的根源【1】。同时，焊接热 源在时间空间上及其不均匀的分布，要求空间上模拟焊接热源的区域需要用极细的网格，时间上需要 分成很细的时间步，才能比较精确地模拟焊接过程闭。在焊缝较长特别是复杂实际构件的焊接时，模拟 计算的规模和所需的计算时闻会急剧增加，使实际构件的焊接过程静模拟难以实现f3】。本文将移动的高 斯点热源分段化，作为分段的带状高斯热源处理，在保证一定精度的前提下，大大提高了计算效率。 这种热源的简化模型可有效地进行位移和应力应变的模拟计算，为大型实际焊接结构的数值分析提供 了可能性。 基本原理 一般的电弧焊的热源模型为移动的高斯圆形热源，其热流分布如式(1)所示 g‘(r)=g五exp(-Kr2) (1) 移动热源的分段化处理是基于以下的原理：对于一条焊缝来说，如果焊接热源的移动速度足够 快，那么在这条焊缝上所施加的移动热源就可以近似变换为一等效的、提前一定时间作用的带状热源 (垂直于运动方向的带条上呈高斯分布的热源)【-】。实际上，移动热源是否可以看作是带状热源，与热 源的移动速度和焊缝的长度有关。针对一定的焊接结构，对于具有某一焊速的移动热潦，总存在着某 一焊缝长度(假定为a)，在这个长度之内，移动热源可以近似处理成为带状热源。那么对于长度为， 的焊缝，就可以被分成n段，其中每一段的长度小于或等于a，在每一段内，将移动热源看作为等效 的、作用一定时间的带状热源，分段热源在焊缝长度上按移动热源的移动方向顺序施加。当n趋向无 穷大时，则分段化的带状热源趋向于移动的圆形热源。 在焊接过程的有限元分析中，由于要处理移动热源。需要划分很细的时间步，这样才能比较精确 地描述在不同时刻热源的移动情况。分殷化处理后。在每一段内因为是按作用一定时间的带状热源处 理，所以在带状热源的作用时间矗t内，所施加的热源不再是移动的边界条件，因此就可以用较大的时 间步长，从而大大减少计算时间。另外由于带状热源和移动热源在空间上不同的分布特点，对于某些 基金项目：国家计妥产业化前期开发项目(计高技[199s]2077号) 125 笙三壁坚壁堡堡主盟窒旦茎垄壅煎垒丝壅塞 一———————j型墅整坠!i笪整 计算就可以采用较粗的网格，这不但提高了计算效率，而且还简化了有限元网格划分的工作量。 热源的移动速度，、分段的长度a直接影响到热源模型分段化处理后的计算精度。一般来说，焊接 方法一定后，热源的移动速度是一定的，所以选择适当的分段长度a就成为分段化处理的关键问题。 这种简化的效果与结构形式有很大关系，结构尺寸相对于焊缝尺寸越大，简化处理的效果就越好；另 外还与所研究的位置有关，所关心的部位距离焊缝越远，简化对计算精度的影响就越小。实际上，从 下面的例子可以看出．热源模型的这种简化处理可以达到相当的精度。 2移动热源分段化处理后的热源作用时间 对于移动热源，假设圆形高斯热源从A点移动到B点，焊速为v，AB间的距离(即焊缝的长度) 为a，如图1所示。高斯热源单位时问内的热输入量毋为 gf2 exp(Kr2胁2x (2)(2) gf_M-ds=n·exp(一KrdsJ口(，)