焊接2016-3-11.ppt

焊接过程的计算机模拟 2016-3-11 焊接是先进制造技术的重要组成部分。先进制造技术的一个重要发展趋势是工艺设计由经验判断走向定量分析。 将数值模拟应用于铸造、锻压、焊接、热处理等工艺设计中，并与物理模拟和人工智能技术相结合来确定工艺参数，优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷及采取的防止措施，控制和保护加工工件的质量。 数值模拟技术通过一组描述焊接基本物理过程的偏微分方程及其定解条件来模拟焊接过程，采用数值方法求解以获得对焊接过程的定量认识。 采用科学的模拟技术和少量的实验验证相结合的方法，以代替过去一切都要通过大量重复性实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模拟解决一些目前尚无法在实验室里进行直接研究的复杂问题。 数学模型（Mathematical Model）是用数学符号对一类实际问题或实际发生的现象的（近似的）描述. 数学建模 （Mathematical Modeling） 则是获得这种模型并对之求解、验证并得到结论的全过程。 数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机，通过数值计算和图像显示的方法，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。 数值模拟实际上应该理解为用计算机来做实验。 比如熔池中的流体流动，通过计算并将其计算结果在屏幕上显示，可以看到流场的各种细节。 数值模拟可以形象地再现流动情景，与做实验没有什么区别。 数值模拟的步骤： 首先，要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型。具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件。 这是数值模拟的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。 如：焊接熔池流体动力学状态及传热过程： 各个物理量服从守恒原理的控制方程组包括连续性方程、能量守恒方程和动量守恒方程。它们的标准形式如下： （T, U,V,W,P） (2)定解条件： 包括初始条件和边界条件，是密切结合具体焊接过程和工艺状态提出来的。 任何一个实际问题，必须充分考虑具体情况，提出合适的定解条件，才能建立相应的模型。 (1) 控制方程 2. 数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。 计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括边界条件的处理等。 3. 编制程序和进行计算。 实践表明这一部分工作是整个工作的主体，占绝大部分时间。由于求解的问题比较复杂，比如方程就是一个非线性的十分复杂的方程，它的数值求解方法在理论上不够完善，所以需要通过实验来加以验证。正是在这个意义上讲，数值模拟又叫数值试验。应该指出这部分工作决不是轻而易举的。 4. 后处理。 在计算工作完成后，大量数据只能通过图像形象地显示出来。因此数值的图像显示也是一项十分重要的工作。目前人们已能把图作得像相片一样逼真。利用视频播放可以显示动态过程，模拟的水平越来越高，越来越逼真。 数值模拟是基于已有理论、假设和数据的计算，包括推测，必须是掌握了规律和模型，然后推算条件范围内的其他数据点，内推为主，适当外推。 因此，如果模型和已有数据正确，那么在新的条件下，基本是正确可靠的，通过计算可得到海量数据，通过视频给出详细演示过程，而实际过程中有些细节无法看到或测量的。 做得好，可再现实际过程。 Welded Joint (Residual Stress, Distortion, Microstructure, Mechanical Strength, Soundness of Weldment) Heat/Energy Generation Machine/Workpiece Interactions Welding Process Parameters Heat Flow Stress deformation Metallurgical Changes Heterogeneous Material Properties Phase Transformation Plasticity Thermal Expansion Thermal Dependent Properties Cooling Rate, Peak Temperature Transformation Kinetics Latent Heat of Phase Transformation Geometry, Overall Structure Rigidity Material Composition 焊接：复杂的传热学-力学-冶金学耦合过程 Welding is a Complicated Thermal-Mechanical-Metallurgical Process 多物理场的耦合： *力学：固体力学（应力与变形），流体力