ANSYS高强高硬钢螺柱焊焊接过程数值模拟(2)
1.2 焊接过程数值模拟研究概况
焊接数值模拟主要是分为几个方面，比如说焊接过程中温度场的数值模拟以及焊接过程中应力和应变的数值模拟等等[13]。在本次试验中，我们所研究的就是螺柱焊接过程中温度场的模拟。
1.2.2 焊接温度场模拟的研究概况
焊接过程中会产生温度场,而我们在研究试验时一般最先就是对温度场进行模拟分析。在焊接的时候会出现许多情况，例如产生裂缝、熔池过深等[13]。通过对不均匀温度场的数值模拟结果分析,不仅可以清楚这种情况为何产生，还可以发现这种温度场对焊件其他性质的影响。首先,建立二文焊接温度场的计算模型,热源的热输入和表面的散热都要考虑在内,但是一些微小的热损失就不做计算[19]。
焊接热源的模型在数值模拟的研究中一直都是很热门的研究方向，随着计算技术的大力发展，对于数值模拟中热源选用的研究也取得了很大的进步。现在我们主要使用的热源模型有：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等。我们可以选用有限元的方法来模拟高斯表面分布的热源，这样可以有效的提高模拟结果的正确性[14]。但是如果这样的话，没有考虑到电磁力对熔池的影响，会影响模拟的结果。对于椭圆热源分布模型和双椭球热源分布模型都是考虑到熔池上电磁方面的影响，并且这些模型的准确度是越来越高的。有时候为了使模拟更加贴合实际，我们常常会使用两种或者以上的热源相互叠加，变成复合热源来进行模拟，当然，这种方法会大大的增加计算量，使得模拟过程变得略显复杂。最近一段时间以来，生死单元技术被越来越多的使用，这种方法一般用来解决复杂的热源模型，效果十分显著。
当温度改变的时候，所焊的工件的各种物理化学性质比如说：材料的比热容、导热系数、还有弹性模量等都将跟着温度的改变发生相应的变化，如果在这个过程中的变化比较慢，那我们可以使用需要参数的平均值来模拟[15]。如果温度变化成非线性或者变化区间范围太大，特别是焊件的局部温度发生很大改变的时候，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，当我们需要对焊接过程中的温度场以及应力场进行相关的数值模拟时，一定要在定义材料的各种物理化学性质的时候给出比较接近实际，较为准确的数字[15]。
1.2.3 焊接应力与应变模拟的概况
提到焊接应力的问题的时候，一般都考虑两个方面：一个是焊接时瞬态过程热应力分析，另一个则是焊接后的残余应力与应变的计算[16]。发展到今天，我们研究应变跟焊接应力的数值方法有许多种，分别是固有应变法、相变与热应力耦合效应、热弹性塑性有限元分析和粘弹性分析等方法[16]。
焊接热弹性塑性的分析理论一开始是由来自日本的上田幸雄等发现的，他们参考了有限元的方法，提出了一系列的焊接分析理论，这些理论都和材料的物理性质和温度相关。自从有了这些理论，我们分析起较为复杂的应力应变问题的时候方便了很多。随着这个理论的发展，它还发展成了一个叫做计算焊接力学的课程。对于热弹塑性的研究是通过在焊接过程中追踪热应力来计算热应变的。这种方法有一个很大的优点，那就是能够详细的看出焊接过程中应力应变的出现规律和以后的变化，所以这种方法现在使用地十分普遍，美中不足的是，如果使用这种方法，计算量会变得十分大，所以当我们模拟研究比较复杂的模型的时候一般不会使用这种方法。因为这样，上田幸雄等人又开发出另外一种新的理论，这种理论叫做固有应变理论。这种方法将原来的分析模型摒弃不用，把试验的条件当做不变的量，在模拟过程中只考虑纯弹性力学方面的，这种理论有一个很大的好处，那就是它的效率十分的高，值得一提的是，这种方法和现实情况更吻合。与此同时，这种方法也有它的缺点：需要一些新的技术方面的积累，所以在现在的条件下，使用这种方法很难与我们模拟的想法符合。另外，通过改善工艺条件来改善应变的要求并不适用于这种方法。粘弹塑性理论现在正在不断完善和发展，并且有限元方法的运用也变得越来越多了，焊接应力分析现在更多的是使用高温蠕变的粘弹塑性的有限元方法。来自德国的Argyris是最早提出如果要研究模拟焊接应力，那我们应该使用热弹—粘塑性组成的方程的人。H.A.Nied在后来又研究提出了最终的有限元方程。奥氏体钢中的焊接变形以及应力都可以很好得运用这种方法来模拟得出，而且模拟结果和现实焊接情况十分的接近。而伴随有相变的温度发生改变的过程时，焊接温度、相变过程以及热应力三项间的耦合效应是由T.Inoue 等率先研究并发表出的结论，并在此基础上开发了本构方程在耦合条件下的一般形式。在这种理论基础下，涉及到热弹塑性问题中所要用到的材料物理性能都可以依据各个相的平均体积分数来确定[18]。