文档介绍：虚拟工程与焊接力学数值模拟
来源:数控机床网作者:数控车床栏目:行业动态
摘要:介绍了国内外虚拟工程与焊接力学数值模拟的发展以及作者近年来在该领域的研究成果及其在工程中的应用实例。 
关键词:虚拟工程、焊接力学、数值模拟、焊接变形 
前言 
计算机、信息、网络等技术的飞跃发展,给人类的生活环境、文化氛围带来了深刻的变化。这种深刻的变化必然反映到原来的制造业
乃至焊接工程中来。虚拟工程就是一个应运而生的新领域,并且以惊人的速度向前发展。近年来提出的先进制造技术,包括诸如计算
机集成制造系统(CIMS),并行工程、灵捷制造等。CIMS就是将制造过程CAD、CAE、CA 
、CAM、CAT等计算机辅助技术中的相关信息
,通过网络集成在一起。虚拟工程则进一步使整个制造过程在计算机上得到预演和实现。要实现焊接虚拟工程是十分复杂的,其本身
就是一项庞大的工程。它包括热源、过程控制、焊接冶金、应力变形等各个环节。本文仅从焊接力学模拟这一个侧面介绍近年来国内
外的一些发展情况以及多年来我们在这一领域所做的工作。 
焊接力学的研究包括焊接传热、焊接变形和残余应力、焊接裂纹以及焊接接头的力学行为等。特别是近年来随着高新技术的发展,以
及自动控制与机器人的应用,因此对焊接产品的精度要求越来越高。然而,焊接变形和残余应力的变化规律至今往往还是认识不足和
难以掌握。例如在汽车工业中为控制制造精度的CIMS系统中,焊接变形成为唯一难以预测和控制的因素。多年来国内外学者和专家在
焊接力学领域进行了大量的研究。作者近年来在该领域也进行了不少研究工作,曾在国内外发表有关学术论文100余篇。一些研究成
果在工程中得到了成功应用。本文的介绍希望能在该领域的研究和实际工程应用方面起促进的作用。 
1 
国内外发展动向 
2000年日本大阪大学接合科学研究所提出了一个计划五年完成耗资20亿日元(2千万美元)的国家课题[1]:“高效与安全焊接技术的
开发”,事实上它包含着一个焊接虚拟工程的研究。其目的是开发一个用户界面友好的高效与安全焊接的计算机系统。它同时给出三
个精密模拟程序,即焊接过程模拟程序、被焊区域组织预测程序和变形预测程序(图1)。其中各个模拟程序的目标为:(1)焊接过
程模拟程序包含一个电弧等离子模型,要求无须局部热动力学平衡的假定,焊接熔池尺寸的预测精度达到±10%。(2)被焊区域组织
预测程序包含一个针状铁素体的形成模型,要求铁素体、针状铁素体成分和室温强度的预测分别在±5%、±10%和±50Mpa以内。(3
)焊接变形程序包括面外变形预测精度在±15%以内。为了开发上述模拟程序,尚需进行一系列精密的实验验证,包括物理性能的测
定,如等离子环境下熔池的表面张力、固态和熔池的热导率等。
图1 
焊接数值模拟
关于焊接力学数值方法的发展,七十年代初,日本的上田幸雄等首先以有限元法为基础,提出了考虑材料机械性能与温度有关的焊接
热弹塑性分析理论,从而使复杂的动态焊接应力应变过程的分析成为可能。此后美国的H. 
D. 
Hi 
ert,E. 
F. 
Ryblicki,Y. 
I
wamuk以及美国MIT的K. 
Masubuchi等在焊接残余应力和变形的预测和控制方面进行了许多研究工作。加拿大的J. 
Goldak等对从熔