焊接数值模拟

材料加工过程的数值模拟第二章：温度场数值模拟焊接数值计算材料焊接过程的数值模拟材料加工过程的数值模拟焊接数值计算•概述–焊接过程数值分析的内容–焊接过程的特点–焊接过程中温度－应力和变形－组织转变的关系–焊接过程数值分析的主要困难焊接过程的数值模拟焊接数值计算焊接数值分析的内容•焊接熔池中的流体动力学和热过程•热源与金属的相互作用–焊接电弧物理，焊接电弧的传热与传质•电弧作用于熔池表面的热能和压力分布•熔池表面的变形•液态金属的蒸发•氢及氮氧等在熔池及环境之间的分配•焊接冶金和焊接接头组织性能的预测，包括相变过程•焊接应力与变形•焊接过程中的氢扩散•特种焊的数值模拟–电阻点焊–陶瓷－金属的焊接–激光焊的熔化和凝固–瞬态液相连接（过渡液相焊）–搅拌摩擦焊•焊接接头的力学行为－－焊接裂纹–热裂纹，冷裂纹，裂纹的形成和扩展，–焊接接头的不均匀性–焊接断裂力学焊接数值计算焊接数值模拟的研究：电弧焊•电弧部分–流场、温度场、电场–研究各种工艺参数（电流、电压、弧柱气氛，电极伸出长度等等）对温度场，电流密度，压降分布以及熔滴过渡过程的影响规律•熔池部分–熔池形状–流场、温度场，主要研究成分和工艺因素对熔池形状的影响，针对焊缝形状控制–冶金过程熔池中气体的吸收各种氧化物氮化物的形成及其作为非均质核心的可能凝固－熔质元素分布（偏析）凝固组织大小，结晶路径，BTR区间等•结构部分–热过程－温度分布，预测热影响区大小，冷却时间，Tmax，th，t8/5等–力过程－应力应变过程，残余应力和变形，预测裂纹，控制残余应力和变形–冶金过程－晶粒长大，相变，氢扩散，接头组织性能预测，冷裂敏感性预测等–接头性能与服役行为－不均质、存在缺陷、残余应力－断裂行为（韧性，强度，疲劳性能等）与可靠性分析等等焊接数值计算焊接数值模拟：其他焊接方法•电阻点焊–熔核的形成与控制，性能预测与分析•扩散焊–过程模拟，温度，压力对界面接合的影响；TLP过程的模拟•钎焊–SMT焊点形态模拟，焊点服役过程中的热应力应变循环，寿命估计等等•激光焊接–焊接温度场模拟与接头的形成及预测，激光相变硬化时的三维温度场模拟与处理焊接数值计算FluidFlowandSurfaceDeformationinWeldPoolThefollowingcomputersimulationshowstheflowofmetalwithinaweldpoolduringwelding.ThecoloursrepresentthetemperatureinKelvin.Noticealsothatthesurfaceofthepoolisdeformed(i.e.,itisnotflat.Theshapeofthesurfacetrailingtheweldingarcbecomesfrozeninanddeterminesthesurfacetopologyofthefinalweld.Asurfacetopologywhichcausestheconcentrationofstressduringservicecanbedetrimentaltothefatiguelifeoftheengineeringstructurecontainingtheweld.TheworkisduetoG.G.RoyandT.DebRoyofPenssylvaniaStateUniversity,U.S.A.Forareviewofthesubject,see:T.DebRoy,RoleofInterfacialPhenomenainNumericalAnalysisofWeldability,MathematicalModellingofWeldPhenomenaII,TheInstituteofMaterials,London,(1995)pp.3-21.焊接数值计算起焊58s后的温度场焊接过程中剧烈变化的温度场焊接数值计算焊接温度场、应力和变形场及显微组织场的相互关系热力学温度场力学应力和变形场金相学显微组织状态场应力导致相变相变应力焊接数值计算5种不同热源模型热源名称热源示意图热流密度分布定义式所需给定的初始参数旋转Gauss曲面体热源模型R0xyzOH22)log(3)0,0(),,(yxzHcseqzyxq)1(πH3)0,0(3eQcqs203Rcs热源总功率Q=3500W热源高度H=0.01m热源开口半径R0=0.003m双椭球体热源模型zxyaOb222222/3/3/3)0,0,0(),,(aybzaxeeeqzyxqππ36)0,0,0(2baQq热源总功率Q=3500W热源形状参数a=0.003mb=0.010mGauss面热源模型xyOqR022),(yxKmeqyxqπKQqm；203RK热源总功率Q=3500W热源有效半径R0=0.003mGauss圆柱热源模型RzxyO0H22),,(yxKmeqzyxqπHKQqm；203RKH,0z热源总功率Q=3500W热源高度H=0.01m热源有效半径R0=0.002m热流密度均匀分布的柱状热源模型RzxyO0HHπ),,(20RQzyxqH,0,2022zRyx热源总功率Q=3500W热源高度H=0.01m热源有效半径R0=0.002m(a)旋转Gauss曲面体(b)双椭球体(c)Gauss圆柱(d)热流均匀分布的柱状(e)Gauss面(f)实际焊缝截面焊接数值计算•热传导微分方程•移动的焊接热源•非线性的散热条件tQczTyTxTctTv1222222)(0TTaqrc焊接温度场的数值模拟焊接数值计算焊接温度场的数值模拟焊接数值计算焊接温度场的数值模拟焊接数值计算教学目的•掌握基本的传热知识•了解热加工过程模拟的研究现状和发展趋势•了解传热问题的数值计算方法•掌握实际热加工过程温度场数值模拟的基本步骤焊接数值计算先修课程•传热学•高等数学•线性代数•数值分析•热加工基本理论•材料基础知识焊接数值计算参考书目•铸件凝固过程数值模拟，陈海清等，重庆大学出版社，1991（TG21-C4-2）•焊接热过程数值分析，武传松，哈工大出版社，1990（TG402-N74）•计算机在铸造中的应用，程军，机械工业出版社，1993（TG248-C73）•计算传热学，郭宽良，中国科学技术大学出版社，1988（TK124-43-G91）•焊接热效应，[德]D.拉达伊，机械工业出版社，1997焊接数值计算2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的意义•材料热加工–铸造：液态流动充型、凝固结晶等；–锻压：固态流动变形、相变、再结晶等；–焊接：熔池金属熔化、凝固结晶；热影响区金属经历不同的热处理过程；–热处理：相变、再结晶等；–特点：复杂的物理、化学、冶金变化•热加工过程目的–获得一定的形状、尺寸、成分和组织–成为零件、毛坯、结构焊接数值计算2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的意义•热加工过程的结果–成型和改性：使材料的成分、组织、性能最后处于最佳状态•热加工工艺设计–根据所要求的组织和性能，制定合理的热加工工艺，指导材料的热加工过程•热加工工艺设计存在的问题–复杂的高温、动态、瞬时过程：难以直接观察，间接测试也十分困难–建立在“经验”、“技艺”基础上焊接数值计算2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的意义•解决方法–热加工工艺模拟技术：在材料热加工理论指导下，通过数值模拟和物理模拟，在实验室动态仿真材料的热加工过程，预测实际工艺条件下的材料的最后组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设计•热加工过程模拟的意义–认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的结果（组织和性能）–与制造过程结合，实现快速设计和制造焊接数值计算2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的发展历程•60年代（起源于铸造）•丹麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的传热。•美国随后进行了大型铸钢件温度场的数值模拟•70年代（扩展）•更多的国家加入•扩展到锻压、焊接和热处理•80年代以后（迅速发展）•1981年开始，每两年举办一次铸造和焊接过程的数值模拟国际会议•1992年开始，每两年举办一次焊接过程数值模拟国际大会•目前（成为研究热点）•国家攀登计划•973基础研究计划焊接数值计算2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的发展趋势•宏观中观微观–宏观：形状、尺寸、轮廓–中观：组织和性能–微观：相变、结晶、再结晶、偏析、扩散、气体析出•单一、分散耦合集成–流场温度场–温度场应力/应变场–温度场组织场–应力/应变场组织场焊接数值计算2-1热加工过程模拟的研究现状热加工过程模拟的发展趋势•重视提高数值模拟的精度和速度•重视精确的基础数据获得与积累•与生产技术其他技术环节集成，成为先进制造技术的重要组成–与产品设计系统集成–与零件加工制造系统集成焊接数值计算2-1热加工过程模拟的研究现状部分商业软件•铸造–PROCAST,SIMULOR•锻压–DEFORM,AUTOFORGE,SUPERFORGE•通用–MARC,ABAQUS,ADINA,ANSYS焊接数值计算2-2温度场及传热的基本概念•温度场定义–在x、y、z直角坐标系中，连续介质各个地点在同一时刻的温度分布，叫做温度场。–T=f(x,y,z,t)•稳定温度场–T=f(x,y,z)•不稳定温度场–T=f(x,y,z,t)•等温面•等温线焊接数值计算热量传递的三种基本形式/热传导•定义：物体各个部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。•表达式：•傅立叶定律：–矢量表示：xTFQxTFQnnTgradqkzjyigradnnTgradTTTxTTT焊接数值计算热量传递的三种基本形式/热对流•定义–运动的流体质点发生相对位移而引起的热转移现象•遵循的定律–牛顿定律–公式：)FT(TQ0ccaac:对流放热系数，单位W/（m2.OC）焊接数值计算热量传递的三种基本形式/热辐射•定义–物质受热后，内部原子震动而出现的一种电磁波能量传递。•遵循定律–斯蒂芬-波尔兹曼定律–公式：•T：热力学温度（k）•C：辐射系数，C=C0,C0=5.67W/m2.K4黑度系数–两物体之间热辐射交换：QR=C0(T14-T24)4cTQ焊接数值计算导热的数学模型建立与描述热传导微分方程式根据A傅里叶公式B能量守恒定律建立：dxdydz、体积元1：x、y、z、三个方向2zyxQQQ：、、、三个方向输入热量3dzzdyyxQQQ：、、、三个方向输出热量dx4焊接数值计算zzqdqdzz：dxdydz、体积元1热传导微分方程式是根据傅里叶公式和能量守恒定律建立的：x、y、z、三个方向2zyxQQQ：、、、三个方向输入热量3dzzdyyxQQQ：、、、三个方向输出热量dx4焊接数值计算导热的数学模型建立与描述TqndQcdxdydzdT)(dxdydtdqdxdzdtdqdydzdtdqdQdQdQdQzyxzyxdzzqdqdyyqdqdxxqdqzzyyxxdxdydzzTzyTyxTxdQdtTdT焊接数值计算TzTyTxTcT2222222222222zTyTxTtT2222yTxTtT22xTtT焊接数值计算WTftWqftWWfqTTfxxfxdfdxxfxfx