焊接数值模拟技术的发展趋势

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：焊接数值模拟技术的发展趋势是集成化、专业化、工程化。搅拌摩擦焊模块可以自动生成搅拌头模型及网格，评估搅拌头旋转速度、焊接速度对零件的变形及应力的影响。所谓专业化，就是焊接模拟软件的不断细化，将各种类型的焊接仿真技术模块化，形成适于各种类型焊接工艺的模板库。例如点焊工具、激光焊工具、电子束焊接工具、钎焊工具、搅拌摩擦焊工具。而根据传统焊接过程，则需要进行500～1000次的焊接切片试验。

焊接数值模拟技术的发展趋势是集成化、专业化、工程化。

所谓集成化，就是焊接数值模拟将结合焊接工艺库、材料数据库和专家的经验与知识，使功能更为丰富和强大，仿真能力更强，使用也更加方便，便于将焊接工艺仿真结果反馈给结构设计工程师，使之在设计早期即可得到结构经焊接后的性能及应力应变等定量信息，对设计做出改进和完善。例如，新版焊接模块（如Morfeo/welding、Simufact welding等）可以模拟包括熔化焊（电弧焊、激光焊、电子束焊等）、固相焊接（摩擦焊、扩散焊等）在内的多种焊接工艺，在设计阶段对焊接零件的材料及零件形状、焊接参数、能量输入、焊接顺序、焊接速度、焊接位置、夹具进行分析，减少试验成本和材料浪费，减少工艺设计的周期，得到合格的零件，预测零件变形，预测残余应力。搅拌摩擦焊模块可以自动生成搅拌头模型及网格，评估搅拌头旋转速度、焊接速度对零件的变形及应力的影响。裂纹扩展模块用于裂纹扩展分析，其中使用了XFEM（扩展有限元）与level-set（水平集）方法，通过固定的或者输入变量参数的方法可以精确预测裂纹应力强度因子、三维裂纹扩展路径、加载循环次数。由于采用XFEM方法，网格不需要重新划分，可以自动判断裂纹扩展方向及模拟裂纹，同时分析多个裂纹的扩展，集合了ABAQUS的XFEM的优点，使用更为方便。

所谓专业化，就是焊接模拟软件的不断细化，将各种类型的焊接仿真技术模块化，形成适于各种类型焊接工艺的模板库。例如点焊工具、激光焊工具、电子束焊接工具、钎焊工具、搅拌摩擦焊工具。近年来针对电阻焊推出的专业软件（如SORPAS等）带有丰富的金属材料库和电极库，用户只需要输入材料的牌号、厚度、叠放顺序和所用的电极，就能计算出焊点的可焊区间和优化的焊接参数，提供点焊压力、电流大小与脉冲数、各个阶段的周波以及最终的焊接状态，预测各个界面的焊点尺寸、焊点的组织结构、剪切应力、金相组织、破坏形式等。全过程模拟焊点的形成，从夹紧、加热、熔化、熔核、变形、冷却到组织结构的变化。例如对DP800的电阻焊，什么条件下产生马氏体，什么阶段加多大的回火电流可以获得好的焊点质量。而根据传统焊接过程，则需要进行500～1000次的焊接切片试验。另外，还可以查看整个模拟焊点的形成过程，压力、电流、消耗能量分布等，用于解决点焊、凸焊、对焊和微电阻焊接中出现的问题。

所谓工程化，就是仿真技术及结果更多、更方便地为工程实际所应用。通过焊接仿真，提供优化的焊接参数和焊接顺序，选择合适的焊接材料，预测焊接产品性能和使役寿命，其中需要融入更多焊接实际工程经验，包括对材料、工艺数据库的长期数据积累等，并逐步实现对大型、复杂结构的焊接数值仿真。

焊接数值模拟技术的发展趋势

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