ANSYS自蔓延法连接铝基复合材料过程数值模拟(3)
随着国内外钎焊技术的不断发展，钎焊模拟的研究也取得了重要成果。李雅范等应用非线性有限元软件MARC研究了Al2O3颗粒增强复合钎料钎焊A12O3陶瓷接头的残余应力场[16]。应用数值模拟技术，研究A12O3陶瓷颗粒的加入对Ag-Cu-Ti钎料性能的影响，接下来他们研究其对接头性能的影响，在这种情况下分析出陶瓷颗粒加入多少体积时能得到最优的性能，在实验中，建立三文陶瓷接头的模型，确定模型的初始条件及边界条件，进而对陶瓷接头进行有限元网格划分，从微小尺寸和实际尺寸方面研究接头的变形和应力场[16]。对计算结果的分析表明，陶瓷-钎缝界面是陶瓷接头的最大应力处，且陶瓷颗粒的加入能有效缓解钎焊接头应力，应力减小的程度随加入的数量而增加。由于接头所受的应力影响其强度，所以要想得出接头的应力值，可以对接头进行强度试验，从而算出所受应力。德国多特蒙德大学对硬质合金/钢进行钎焊，并模拟焊后接头的应力和应变的分布情况, 模拟结果与测量结果能很好地吻合，他们得出最重要的结论是钎料层较厚的时候,比如大于20 μm的情况下，接头的压应力较小[17]。所以基于以上结论，在钎焊时应该优先选择较厚的钎料，以提高接头力学性能，优化钎焊的质量。德国柏林工业大学研究了纳米级的Al/Ni膜与钢的钎焊，在对钎焊结果分析时，他们利用有限元软件模拟温度分布情况,在分析了温度场的分布后，他们得出的结论是较低的反应速率会极大地影响钎焊过程，反应速率越低，母材与钎料结合界面处的温度也越低,且钎料的厚度越大，反应热产生的影响也越大，导致结合界面处的温度升高[18]。德国汉诺威大学采用分子动力学模拟方法定量模拟了钎焊过程固液界面的润湿和铺展行为，模拟结果表明，这种模拟方法可以很好地反映纯Cu，纯Ag或AgCu28在母材上的润湿情况，在T=1500℃的条件下，纯Cu及纯Ag在母材上的铺展润湿情况与实验结果吻合[19]。
1.3 数值模拟技术和ANSYS软件简介
1.3.1 数值模拟技术
随着计算机技术日新月异的进步，计算机模拟的方法应运而生。焊接过程的数值模拟包括了以下几个内容：（1）焊接热过程；（2）焊缝金属凝固及焊接接头的相变过程；（3）焊接中应力及应变的发展过程；（4）接头的组织和性能；（5）焊接熔池的尺寸形状以及内部液体流动；（6）焊接中重要结构的分析。以前通过一次一次重复的实验来获得焊接中的最优参数，从而运用到实际生产中，但是数值模拟技术的出现改变了这种模式。先通过理论分析，再利用计算机模拟，最后运用模拟的结果指导实际生产，不仅可以大大提高材料热加工的技术方法，还能减少很多实验劳动，节省资源和资金[20]。有限元分析是焊接数值模拟成功实现的理论基础，近年来，随着计算机水平的发展和有限元法的日渐成熟，对焊接结构件进行三文数值模拟的研究已经越来越广泛，主要的研究对象就是焊接中最重要的热应力和残余应力。与此同时，计算机硬件的发展也为焊接模拟和工程应用创造了有利条件，如今的PC机性能跟多年之前的PC机相比已经有了巨大的改变，因而对于结果相对简单的焊接结构，利用PC机可以完全实现其模拟过程。
经过科研人员几十年的不懈努力，有限元法的发展越来越迅速。现在以ANSYS为代表的数值模拟软件，结合了有限元分析等一些列的新技术，在解决现代的工程学问题上占有举足轻重的地位。
1.3.2 有限元软件简介
计算机是有限元法实现的基础，所以有限元软件的研发需要依靠它的理论分析、单元形式以及算法。目前应用于工程的有限元软件有很多，其中有代表性的是：ANSYS、MARC、ADINA等。它们的功能强大，具有很多单元类型、材料模型和分析功能，还有自动化分网格、分析和显示结果等众多后处理功能。有限元软件的优势是程序使用方便、计算结果准确，这使得有限元分析方法可以成功地指导实际生产。