中大直径螺柱与中厚钢板螺柱焊焊接过程有限元模拟(2)
括热学、力学、热传导、电弧的物理性能的焊接过程是一个极其复杂的过程。在以往的焊接方法研究过程中，都是需要取不同的工艺参数，经过不断的实验，最后对金相组织的力学性能等实验数据进行对比，从而确定最好的工艺方法。但是上述的方法必须进行大量的实际实验验证，浪费时间、浪费成本、浪费成本，随着时代的进步和经济的快速发展，以往的的工艺确定方法并不能快速有效的解决实际问题，这时候传统的工艺试验方法需要一种快速、精准却节省材料和精力的技术来取代。计算机技术的日新月异，使制造技术虚拟化得到了大力发展。焊接过程的数值模拟的出现，使焊接技术得到了十分迅速的发展，从实验数据的收集到了计算机模拟焊接过程的技术，从依靠原始手工的积累到选择科学技术的发展模拟[9]—[11]。
1.2 焊接过程数值模拟研究概况
焊接过程中的数据模拟包括以下几个步骤：焊接过程中温度场的数值模拟、焊接过程中焊接应力与焊接变形的数值模拟、焊接过程中焊接冶金和焊接接头组织性能的模拟等几个方面[25]。
1.2.1 焊接温度场模拟
焊接过程中的组织性能、固态相变、冶金过程和相应的应力应变等都与焊接过程中的焊接热输入和焊接热传导有很重要的关系[20]。焊接的过程是一个瞬时动态的过程，局部温度快速增加到高温然后又冷却到室温的过程。随着焊接热源的移动和跟进，焊接热源附近的温度场随焊接时间和工件附近空间急剧变化，材料的本身一些物理和化学性能也会随着温度等因素的变化影响而发生改变，这种改变不仅仅是发生在相应的相关性质中，而且还会发生焊接接头处金属熔化和产生相变潜热等复杂的冶金现象[9]。这样就给焊接过程的数值模拟带来了困难，因此要保证数值模拟的精确性，焊接材料的属性、焊接热源的模型与实际热源的相似程度等边界条件的设置等的参数必须与实际情况相符合[20]。
焊接热源的模型一直是焊接过程的数值模拟研究中最为活跃的研究方向，计算机硬件和软件的大力发展使得数值模拟中焊接热源的研究得到了长足的进步，目前几种主要的模型有：高斯分布表面热流模型、球状热源分布模型、椭圆热源分布模型、双椭球热源分布模型、高斯串热源等。高斯分布的热流表面分布函数是应用了有限元法或者是有限元差分法，对于高温区准确性的模拟可以提高很多[21]。但是这种方法没有顾忌电弧挺度及电磁力对熔池的影响。对于椭圆热源分布模型和双椭球热源分布模型都是顾及到了电弧挺度及电磁力对熔池的影响，并且后一种方案比前一种方案更加准确。为了得到更加精准的模型，有的时候会采用两种或者两种以上的模型进行叠加来进行热源模拟。例如可以将高斯热源和双椭球热源结合，高斯热源作为表面热源，双椭球热源作为内热源，这样就可以得到较为准确的模拟结果。但是相应的必然增加了一定的计算量。再如：利用高斯模型、高斯串热源模型和双椭球移动模型可以简化多道多层焊接过程的模拟，来达到缩短计算时间的目的。对于比较复杂的焊接过程数值模拟的热源输入问题，生死单元技术可以很好的解决，这种技术是最近几年发展应用起来的[21]。
随着温度的变化，金属材料的各项物理性能诸如：材料的比热容、材料的导热系数、材料的弹性模量、材料的屈服应力等都会随着温度的变化而发生改变，在温度变化过程中，变化曲线若是线性的或者变化缓慢的，则可以采用取平均值的方法来确定材料物理性能的参数[22]。如果温度变化成非线性或者温度变化区间范围太大，尤其在焊接过程中，焊件局部温度变化非常迅速，温度加热或者冷却随着时间和空间成非线性。这个时候如果不考虑各自的变化情况，只是单纯的取平均值，那么势必会造成模拟的结果与实际结果的不相符合。所以，在焊接过程数值模拟中关于温度场和应力场的模拟计算，一定要对所给材料的各项物理化学性能做出准确的变化值[22]。