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1、目 录第一章 绪论11.1选题的背景11.2数值模拟21.2.1数值模拟的来源21.2.2数值模拟的在当代科技发展中的地位213数学模型31.4有限元31.5数值模拟技术在焊接中的应用41.5.1焊接数值模拟概念51.5.2焊接数值模拟中的数值分析方法61.5.3焊接数值模拟的内容61.5.4焊接数值模拟的意义71.6焊接数值模拟的前景与展望71.7本课题研究的主要内容和意义8第二章 有限元计算原理92.1焊接过程有限元分析理论92.1.1有限元方法简介92.2焊接过程有限元分析的特点112.3焊接有限元模型的简化112.3.1有限元基本方程122.3.2非线性瞬态热传导的问题132.3.2.
2、1空间离散域132.3.2.2时间域的离散14第三章 厚板多焊道有限元模型的建立163.1ABAQUS软件163.1.1应用ABAQUS有限元软件进行焊接模拟163.2建模173.2.1几何模型的确定173.2.2创建部件183.2.3定义材料属性183.2.4定义装配件203.3定义分析步和输出213.4定义载荷213.5划分网格22第四章 热源模型校核结果与讨论234.1焊接热源模型的概念234.2焊接热源性质与建模准则234.3体热源模型244.4焊接热源校核25结 论29谢 辞30参考文献31 大连交通大学2011届本科生毕业设计（论文）第一章 绪论1.1选题的背景焊接是通过加热和加压
3、，或两者并用，并且用或不用填充材料，使工件达到结合的一种工艺方法。由于焊接方法经济、灵活，能简化结构的构造细节，节约材料，提高生产效率，改善工人劳动条件。因此，目前，船舶、机车、车辆、桥梁、锅炉等工业产品，以及能源工程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程、大型厂房、高层建筑等重要结构，无一不采用焊接结构。焊接结构有自己的特点，只有正确地认识它的特点，才能设计制造出性能良好、经济指标高的焊接结构。历史上许多焊接结构失效的事例追其根源，多数与未考虑焊接结构的特点有关。焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。但焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象
4、包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中将产生很大的动态应力，焊后将产生相当大的焊接残余应力和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲)。焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力将影响构件的变形和焊接缺陷，而且在一定程度上还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响焊
5、接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。因此对焊接温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但仅从实验角度研究焊接热应力、焊后残余应力和变形问题难度很大，无前瞻性，不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响，客观评价焊接质量。随着差分法、有限元法的不断完善，焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，但大量的试验增加了生产成本，耗费人力物力，尤其是军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中，任何尝试和失败都将造成重大经济损失，而数值模拟将
6、发挥其独特的能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞速发展，为数值模拟技术提供了有力的工具，很多焊接过程可以采用计算机数值模拟。1.2数值模拟1.2.1数值模拟的来源 随着计算机、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。计算机对科学技术的影响是极其深远的，其中一个重要原因就是计算机已经并将继续大大地扩展问题的可解范围。在一些设计方面，数值模拟起着重要的作用，它代替部分物理实验的作用。如今数值模拟技术已经渗透到焊接的各个领域，在航空航天、军工、能源、动力等领域，关键部件焊接过程仿真技术的实现，对于优化工艺过程，提高产品质量和消除安全隐患起着日益重要，甚至不可替代
7、的作用。焊接数值模拟的理论意义在于,通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和对极端情况下尚不知的规则的推测和预测,实现对复杂焊接现象的模拟,以助于认清焊接现象本质,弄清焊接过程规律。焊接数值模拟的现实意义在于,根据对焊接现象和过程的数值模拟,可以优化结构设计和工艺设计,从而减少试验工作量,提高焊接接头的质量。焊接数值模拟包括以几个下方面:(1)焊接热过程的数值模拟;(2)焊接熔池液体流动及形状尺寸的数值模拟;(3)焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟;(4)焊接应力和应变发展过程的数值模拟;(5)非均匀焊接接头的力学行为的数值模拟;(6)焊接接头组织变化和热影响区氢扩散的数值模拟;(7)焊
8、接结构断裂韧性、疲劳裂纹扩展的数值模拟。1.2.2数值模拟的在当代科技发展中的地位当今高度复杂的科学和工程问题的求解计算包括利用数学方程来模拟物理、化学、生物和工程等过程的各种问题，包括寻求解释模型中出现的非线性现象的数学理论及计算方法和研制相应的数值软件1。随着现代科学技术的发展，数学模型和数值模拟技术的地位显得越来越重要了。在工程学的一些领域中已被视为与实验同等的重要。其原因有以下几种：1）由于系统越来越高性能化或复杂化，单纯的实验已难以使严峻的状况重现出来。例如阿波罗卫星返回地球时在高120km左右的大气层上端竟达到11km/s的速度，仅用30min左右就回到地面。即使想要将这样的状态用
9、风洞实验来重现，由于需要极大规模的设备而终究不能实现。2）有些问题只有使用数值模型才能明了其状况。例如，最近的电子仪器或机械零部件性能稳定性而且可靠性已经非常高了，其中包括故障率为百分之一的极优秀的产品。虽然其故障率非常之低，但实际上也有发生故障的可能。对这种系统的可能性就有必要作出故障或可靠度的数学模型。因为故障的出现的概率极小，因而难以依照多数实验结果作统计处理来确定复杂系统的可靠度。3）计算机性能已经大大提高和普及。目前甚至可以把计算机看作是一个能够用于多目的和多=用途的万能实验装置，可以用来模拟化学反应，对复杂结构的应力计算或物体周围气体的再现等。这种研究方法与过去的小规模实验相比，方
10、式不同，具有很大 优越性以及高的效能和效益，也称之为数值试验。4)虚拟工程的出现，并首先在军事、航空航天、汽车领域中获得成功的应用。虚拟工程使整个制造过程在计算机上得到预演和实现，大大缩短了产品的开发周期，提高了产品飞市场竞争力。在虚拟工程中，数学模型和数值模拟技术是一个十分重要的手段。13数学模型什么是模型？模型是对客观世界的特征和变化规律的一种定量的抽象。在科学研究中，模型是人们用以认识事物的一种手段和工具。例如经典力学、量子力学、有机化学及近代物理学中的重大发现，都得益于模型的帮助。通常模型分为三类：物理模型、数学模型、描述模型2。数学模型是用数学语言描述的某个现实世界的模型。数学模型可
11、以定量地描述事物的内在联系和变化规律。因此，建立某个系统的数学模型，是人们对该事物认识的一个质的飞跃。数学模型也可分为静态和动态两类。静态数学模型是当一个实体处于平衡状态的取值，不含时间的因素。动态数学模型描述由于实体活动所引起随时间的变化。实质上，静态模型可以认为是动态模型的一种特例，是动态模型在某一时刻或某一时间段内的取值。数学模型的第二层次是按对数学方程的求解方法来划分的。不论是静态的还是动态的，可用解析方法和数值方法求解。解析方法是直接应用现有的数学理论和定律去推导和演绎数学方程得到用函数形式表示的解，也就是解析解。解析法的优点是物理概念及逻辑推理清楚，所得到的解能比较清楚的表示出各种
12、因素的影响。另外，得到的解析解比较精准，可以作为对其他方法，尤其是对数值解法所求得解的精确性进行校核。但解析法只能用于有限的范围，对许多用以描述复杂系统的高阶、非线性、时变的微分方程，就很难用解析法求解。数值方法又叫数值分析，是用计算机程序来求解数学模型的近似解，有时称之为数值模拟或计算机模拟。此外，模型按变量变化的特点可分为离散模型和连续模型，按变量的性质可分为确定型模型和概率型模型等。建立数学模型必须正确理解现象，数学求解若能很好地说明实验和调查的结果，则此数学模型是正确的。1.4有限元有限元法是焊接模拟技术中适应电子计算机而发展起来的一种有效方法，它已经成功地解决了工程领域中的许多问题，
13、广泛地用于研究焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学的分析等。有限元法是适应使用电子计算机而发展起来的一种比较新颖和有效的数值方法。这个方法20世纪50年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。1960年被推广用来求解弹性力学的平面应力问题。虽然这一方法起源于结构分析，但是，由于它所依据的理论的普遍性，已经能够成功地用来求解其他工程领域中的许多问题，如传热、电磁场、流体力学等领域的问题。可以说，现在它几乎适用于求解所有飞连续介质和场的问题。有限元法的第一步是将连续体简化为由有限个单元组成的离散化模型，第二步对离散化模型求出数值解答。有限元法的主要优点是：1）概念清晰，容易掌握
14、，可以在不同水平上建立对该法的理解。可以通过直观的物理途径来学习和运用这一方法，也可以建立在严格的数学基础之上。2）该法有很强的灵活性和适应性，应用范围极其广泛。它对于各种复杂的因素，如复杂的几何形状，任意的边界条件，不均匀的材料特性，非线性的应力-应变关系等，都能灵活地加以考虑，不会发生处理上的困难。3）该法采用矩阵形式表达，便于编制计算机程序，可以充分利用高速电子计算机所提供的资源。1.5数值模拟技术在焊接中的应用焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程,单纯采用理论方法,很难准确的解决生产实际问题。因此,在研究焊接生产技术时,往往采用试验手段作为基本方法,其模式为“理论试验
15、生产”,但大量的焊接试验增加了生产的成本,且费时费力。随着计算机软硬件技术的快速发展,引发了虚拟制造技术的热潮,这其中就包括焊接热加工过程的数值模拟。焊接数值模拟技术的出现,为焊接生产朝“理论数值模拟生产”模式的发展创造了条件。焊接数值模拟技术的发展使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。近二十几年来，国内外都对数值模拟技术在焊接中应用进行了许多研究，取得了不少成果。国际上比较著名的学者，如日本大阪大学的上天幸雄教授，长期来从事焊接热弹性理论的研究，取得丰硕的成果。在1996年上田幸雄先生退官纪念册上有关焊接力学的研究论文就达228篇，创建了“计算焊接力学”的新兴学科，并出版“计算焊接力学”专著。美国MIT的K.Masubuchi3教授在焊接残余应力和变形以及焊接结构分析方面有深入的研究。瑞典的L.Karlsson4教授，加拿大的A.Goldak5教授等在焊接热传导和热应力分析以及焊接接头组织性能预测方面作了许多研究并取得不少成果。奥地利的H.Cerjac6教授在计算机辅助焊接性方面进行了研究，日本的A.Matsunawa7教授和M.Ushio8教授分别在焊接熔池和电弧物理方面进行了深入的分析等。国际上有关焊接数值模拟技术的交流也十分活跃。有关国际会议有“Modeling of Casting，Welding and Ad
