焊接数值模拟技术发展现状

焊接数值模拟技术发展现状

吴言高!，李午申!，邹宏军"，冯灵芝!

（!#天津大学材料科学与工程学院，天津$%%%&"；"#攀钢集团钢城企业总公司协力公司，四川攀枝花’!&%%%）

摘要：焊接是一复杂的物理化学过程，借助计算机技术，对焊接现象进行数值模拟，是国内外焊接工作者的热门研究课题，并得到了越来越广泛的应用。概括介绍了数值模拟技术的概念及分析方法和焊接数值模拟的主要内容及意义，综述了国内外焊接数值模拟在热过程分析、冶金分析、应力应变分析、构件使用性能分析、氢扩散分析、特种焊接过程分析方面的研究现状及发展趋势，对我国焊接数值模拟技术的发展提出了建议。

关键词：焊接；数值模拟；研究现状

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吴言高

%序言

焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程，单纯采用理论方法，很难准确的解决生产实际问题。因此，在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，其模式为“理论—试验—生产”，但大量的焊接试验增加了生产的成本，且费时费力。随着计算机软硬件技术的快速发展，引发了虚拟制造技术的热潮，这其中就包括焊接热加工过程的数值模拟。焊接数值模拟技术的出现，为焊接生产朝“理论—数值模拟—生产”模式的发展创造了条件。焊接数值模拟技术的发展使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。

!焊接数值模拟基础

!#!焊接数值模拟概念

焊接数值模拟，是以试验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识（如焊接温度场、焊接热循环、焊接1+2的硬度、焊接区的强度、断裂韧性等）。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程（本构关系）。而焊接物理模拟是采用缩小比例或简化了某些条件的模拟件来代替原尺寸形状的实物研究（如焊接热3力物理模拟、密栅云纹法分析应力应变、氢的瞬态分布电视录象）。物理模拟可以校验、校核数值模拟的结果，作为数值模拟的必要补充。

收稿日期："%%!-!"-"’!#"焊接数值模拟中的数值分析方法

数值模拟是对具体对象抽取数学模型，然后用数值分析方法，通过计算机求解。经过几十年的发展，开发了许多不同的科学方法，其中有：

（!）解析法，即数值积分法；

（"）蒙特卡洛法；（$）差分法；

（*）有限元法。

数值积分法用在原函数难于找到的微积分计算中。常用的数值积分法有梯形公式、辛普生公式，高斯求积法等。

蒙特卡洛法又称随机模拟法。即对某一问题做出一个适当的随机过程，把随机过程的参数用由随机样本计算出的统计量的值来估计，从而由这个参数找出最初所述问题中的所含未知量。

差分法的基础是用差商代替微商，相应的就把微分方程变为差分方程来求解。差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题，其程序设计和计算简单，易于掌握理解，但这种方法往往局限于规则的差分网格，不够灵活。在焊接研究中差分法常用于焊接热传导、熔池流体力学、氢扩散等问题的分析。

有限元法起源于"%世纪,%年代航空工程中飞机结构的矩阵分析，现在它已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域，有限元法已经广泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等。

在工程应用中，上述数值方法常相互交叉和渗透。!##焊接数值模拟的内容

焊接数值模拟包括以几个下方面：（!）焊接热过程的数值模拟；（"）焊接熔池液体流动及形状尺

寸的数值模拟；（$）焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟；（*）焊接应力和应变发展过程的数值

第"$卷第$期"%%"年’月

焊接学报

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