厚板多道焊的焊接热源校核,班级： 姓名： 指导教师：,主要内容,1.绪论 2.有限元计算原理 3.厚板多道焊有限元模型的建立 4.热源模型校核结果与讨论 5.结论,1.绪论,1.1选题背景 1.2数值模拟 1.3数学模型 1.4有限元 1.5数值模拟技术在焊接中的应用 1.6焊接数值模拟的前景与展望 1.7本课题研究的主要内容和意义,选题背景,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，目前大部分的工业产品，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。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，而数值模拟将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。,数值模拟,随着计算机、信息、网络等技术的飞跃发展，数值模拟技术已渗透到焊接的各个领域，关键部件焊接过程仿真技术的实现，对优化工艺过程，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。,数学模型,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。 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。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。,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，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。,数值模拟技术在焊接中的应用,目前，焊接数值模拟已遍及各个焊接领域，主要研究内容有： （1）焊接热传导分析 （2）焊接熔池流体动力学 （3）电弧物理 （4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测 （5）焊接应力与变形 （6）焊接过程中的氢扩散 （7）特殊焊接过程的数值分析，如电阻点焊、陶瓷金属连接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等 （8）焊接接头的力学行为,焊接数值模拟的前景与展望,在计算机技术日益发展的今天，采用数值方法来模拟复杂的焊接现象已经取得了很大的进展。数值模拟技术已经渗入到焊接的各个领域，取得了可喜的成绩。然而应该看到这些研究还是初步的，还有许多深入的研究工作要做。关键是要进一步认识焊接模拟技术的意义和作用，同时必须正确和真实地掌握和阐明焊接现象的本质，才能建立起准确的数学模型。而正确的数值模拟也有助于对焊接过程的进一步理解。焊接数值模拟更重要的作用是优化结构设计和工艺设计，提高焊接接头的质量。因此焊接数值模拟技术具有重要的理论意义和实际应用价值。,本课题研究的主要内容和意义,焊接热源具有局部集中、瞬时和快速移动的特点，易形成在时间和空间域内梯度都很大的不均匀温度场，而这种不均匀温度场乃是进行焊接力学分析的基础。要想准确预测焊接残余应力的分布以及焊缝强度等就必须保证焊接热循环的准确性，就需要建立一个好的焊接热源模型，因此，焊接热源模型的建立是焊接模拟过程中不容忽视的重要部分。 本课题选取Q345为试验材料，采用不同性能的材料分别对焊接热源进行校验，并对多道焊截面进行建模并进行网格划分。,2.有限元计算原理,2.1焊接过程有限元分析理论 2.2焊接过程有限元分析特点 2.3焊接有限元模型的简化,焊接过程有限元分析理论,有限元法（Finite Element Method，FEM），也称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。它是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。利用有限元分析时，首先将分析物体离散成为许多小单元，其次，给定边界条件、载荷和材料特性，再求解线性或非线性方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形技术显示计算结果。,焊接过程有限元分析的特点,(1)模型是三维的，至少在焊接区域如此，以反映内部和表面的不同冷却条件; (2)由于快速加热和冷却，模拟的过程是高度瞬态的，具有与位置和时间相关的极不相同的梯度场; (3)由于材料的热一力行为，模拟的过程是高度非线性的，并与温度密切相关; (4)局部材料的瞬态行为取决于局部热的历史和力学的应力应变历史; (5)焊接材料熔敷以及凝固后改变构件的连接状况; (6)焊接材料的状态及显微组织变化; (7)临界情况下可能发生的缺陷和裂纹，使连续介质的概念受到怀疑。,焊接有限元模型的简化,非线性瞬态热传导问题分析的基本控制方程为: 其中，c为材料比热容，随温度变化; 为材料密度; 为导热系数，随温度变化; T为温度场分布函数; 为内热源; t为传热时间。,3厚板多焊道有限元模型的建立,3.1ABAQUS软件 3.2建模 3.3定义分析步和输出 3.4定义载荷 3.5划分网格,ABAQUS软件,ABAQUS是功能最强的有限元分析软件之一，特别是在非线性分析领域，其技术和特点更是独树一帜，它融结构、传热学、流体、声学、电学以及热固耦合、流固耦合、热电耦合、声固耦合于一体，可以分析复杂的固体力学、结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场分析，同时可以做系统级的分析研究。ABAQUS软件以其强大的有限元分析功能和CAE功能，被广泛运用于机械制造、土木工程、隧道桥梁、水利水工、汽车制造、船舶工业、航空航天、核工业、石油化工、生物医学、军用、民用等领域。ABAQUS能够求解各种复杂的模型并能解决实际工程问题，在分析能力和可靠性等方面赢得广大用户的赞誉。,ABAQUS分析过程,钢管与吊座的焊接的几何模型及其焊道层数和顺序,各焊道的焊接工艺参数,在Create Part中创建2D Planar并在Type中选择Deformable，在Base Feature中选择Shell。在草图绘制界面绘制草图 ：,试件材料为Q345钢，其各项热物理性能如下：,导热率,密度,热膨胀系数,潜热,比热,定义装配件,在环境栏的Module列表中选择Assembly功能模块。单击工具 区中的Instance Part工具，弹出Create Instance对话框，如右图 所示。程序自动选择之前创建 的truss部件，其他参数都选用 默认选项，单击OK按钮，完成 部件实体的创建。此时，视图 区出现一个直角笛卡尔坐标系，该焊接模型处于整体坐标系的 X-Y平面内。由于该模型只包 含一个部件，不需要进行其他 操作。,定义分析步和输出,进入Step功能模块后，主菜单中的Step菜单及工具区中第一行的Create Step工具和Step Manager工具用于分析步的创建和管理。 创建一个模型数据库后，ABAQUS/CAE默认创建初始步（Initial），位于所有分析步之前。在初始步后创建一个或几个分析步，单击工具区中的Create Step工具，弹出Create Step对话框。由于该模型为厚板多道焊，所以创建9个分析步。 创建了分析步后，ABAQUS/CAE会自动创建默认的场变量输出要求和历史变量输出要求。单击工具区中的Create Field Output工具右侧的Field Output Manager工具和Create History Output工具右侧的Field History Manager工具，分别弹出场变量输出要求管理器和历史变量输出要求管理器，在管理器中进行场变量输出要求的创建、复制、重命名、删除、编辑等。,定义载荷,选择Module列表中的Load，进入Load功能模块。主菜单中的Load菜单及工具区中第一行的 Create Load 工具和 Load Manager工具用于载荷的创建和管理。在 Create Load 对话 框中的Name栏输入载荷名称Load1-Load9，在Step内选择用于创建的分析步 Step1Step9 ，其他采用默认选项thermal、surface flux完成载荷施加，视图区的焊缝表面出现表示集中力的箭头，如右图所示。,划分网格,为了控制焊接温度,采用小的焊接工艺参数,即小电流、小电压和低的焊接速度.由于焊接速度较慢(v10 mm/s),为了准确地预测焊接温度场分布, 保证计算精度和提高计算速度,将其划分为不均匀网格,在焊缝及其附近区域采用较细的网格,而在远离焊缝处采用较粗的网格.下图是划分网格后的焊接模型。,4热源模型校核结果与讨论,所谓的焊接热源模型，可以认为是对作用于焊件上的、在时间域和空间域上的热输入分布特点的一种数学表达。热输入一般可用温度、热流、生热率或热流密度等来表示。在焊接数值模拟问题中，焊接热源模型是以一个热输入边界条件的形式结合到数值分析模型中去的。,双椭球型热源模型:,这种模型将前半部分作为一个1/4 椭球, 后半部分作为另一个1/4 椭球。设前半部分椭球能量分数为f 1, 后半部分椭球能量分数f 2, 且f 1+ f 2= 2。 前1/4椭球的功率密度函数为： 后1/4椭球的功率密度函数为：,式中，fr+ff =2, ff =2/3, fr =4/3。 根据以上公式可知，热源中心前面的热流分布比后面的热流分布要陡得多，而后面的热量分布要较前面多。椭球的两个特征参数a与b可以改变热流强度以及控制体积中的热流分布，从而决定了焊接热模拟的熔池形状，a与b得取值应当使模拟的熔池形状和实验测定的熔池形状相吻合。对于埋弧焊形成的焊接温度场，椭球特征参数a与b的取值应当使模拟的熔池形状和实验测定的熔池形状相吻合。对于埋弧焊形成的焊接温度场，椭球特征参数a、b和c可以分别表示为： a1.3W Width , b1.3W Depth , cW Depth 式中，W Depth为焊缝深度，W Width为焊缝宽度。,焊接热源校核,第一道焊缝的热源分布图 从图中得出第一道焊道的焊缝宽度=3.8mm，焊道深度=6mm，由上述公式得出a=4.94mm,b=7.8mm,c=6mm。,第一道焊缝的所有节点的热循环曲线,第一道焊缝的平均节点的热循环曲线,第二道焊缝的热源分布图,从图中得出第二道焊道的焊缝宽度=6.5mm，焊道深度=4.13mm，由上述公式得出a=8.45mm,b=5.369mm,c=4.13mm。,第二道焊缝平均节点的热循环曲线,同理可得到其余几道焊缝的特征参数如表,结 论,1.建立了钢管与吊座不同焊道的焊接热源模型，考虑了材料的热物理性能随温度而变化，即材料非线性，模拟了实际焊接过程的焊缝的热源分布和节点的热循环曲线。 2本文利用体热源模型的理论及计算公式，较准确地模拟出焊缝热源温度分布图及各焊道的平均热源曲线。 3. 通过双椭球型热源模型得到各焊道的热源特征参数a、b、c。,感谢指导老师 感谢评阅老师 感谢答辩组老师 谢谢！,谢谢！,