中大直径螺柱与中厚钢板螺柱焊焊接过程有限元模拟(4)
热弹塑性有限元分析方法和固有应变方法在焊接变形的模拟预测方面运用的最为流行。除此之外，焊接变形的预测方面还有诸如相似理论方法、线弹性体积收缩方法和人工神经网络等方法。线弹性体积收缩方法是把弹塑性变形跟非线性的较为复杂的结构转变成线弹性变形。假如变形主要的驱动力是线性热膨胀，那么关于较大模型复杂焊件结构的变形处理就可以较为精准的预测和计算。计算模拟的精确性在于精确计算焊缝处收缩处的体积。但有例外，比如在焊接坡口小于50度角度的焊接结构中模拟的结果就存在较大的误差并且这种方法也不能较为精确的预测焊接残余应力。模型试验方法跟数值模拟方法可以根据相似理论进行结合计算，按照相关的相似原理对焊接构件的结构进行转换和变动，将复杂性降低后再进行数值模拟的计算，相应的计算量就可以减少很多[24]。尤其在实践生产工艺中，焊接条件受到各种各样的限制，实际情况和模拟出的结果有着无法完全拟合的情形，所以这样的研究还有相当长的研究路线要走，解决这种限制还需要足够多的开发研究。
上世纪90年代以后，科学工作者试着用各种方法研究焊接问题，其中涉及到运用连续统计学来研究整个焊接系统的综合状态。连续统计学是一套较为完整和严密的力学体系，它可以顾及到材料的多种形态，其中较为重要的是材料的本构关系、质量守恒定律和动量守恒定律。研究实践表明，通过采用连续统计学可以很好的解决一些对称性、线性跟确定的问题。
1.3 本文的主要研究内容
本文主要运用ANSYS软件分别对Ø27mm实心螺柱在厚度为45mm、80mm高强高硬中碳调质钢板螺柱焊的焊接过程进行模拟。期间通过建立相应数学模型，选取焊接过程的适宜的工艺参数，分析计算得到焊接过程中温度场和应力场的瞬态变化图形，得到焊接电流参数直接影响螺柱焊接质量，验证了实际工艺。课题研究内容如下：
（1） 分析螺柱焊焊接过程的热效应、中厚钢板与中大直径柱螺柱焊焊接工艺特点；
（2） 采用有限元方法，建立中厚钢板与中大直径柱螺柱焊数学模型；
（3） 建立中大直径螺柱与中厚钢板螺柱焊焊接热源模型；
（4） 选择有限元分析软件，对中厚钢板与中大直径柱螺柱焊进行温度场和应力场模拟计算；
（5） 分析螺柱焊焊接过程温度及应力分布规律，与试验结果进行对比分析。
2 螺柱焊的原理及工艺特点
2.1 螺柱焊的焊接原理
螺柱焊，也称为植焊，是将金属螺柱或者类似柱状金属焊接在板上的一种焊接方法。其基本原理是将金属螺柱垂直与板接触，再通以一定的电流，此时螺柱与板的接触位置产生电弧，电弧将金属熔化，待两者连接处金属形成熔池，电弧熄灭，不再对熔池金属加热，熔池逐渐降温冷却，固化成焊接接头。
目前为止，对螺柱焊接方法的划分标准有很多，根据焊接电源原理的不同，可以分为拉弧式螺柱焊接方法和电容储能式焊接方法。拉弧式焊接方法主要适用于厚大板件的焊接，而电容储能式焊接主要用于薄板的焊接，焊接效率也不尽相同。其中，电容储能式螺柱焊接又可以分为：间隙式螺柱焊接和接触式螺柱焊接。拉弧式螺柱焊接分为：气体保护模式螺柱焊接、陶瓷保护环境式螺柱焊接和短周期模式螺柱焊接[2]。
2.2 螺柱焊的工艺特点
（1）具有结构设计扩展的潜在能力
螺柱焊接的特点是焊接时间短，焊接电流大，焊接熔深较小。可以焊在很薄的板上而不会引起很大的变形量。可以实现全位置焊接，不会因为焊接方向的限制。焊接强度较高，甚至超过螺柱本身的强度。