3D虚拟焊接模拟
10090113 李翠一、实验时间、地点、参加人员
实验时间：2013.12.5（第14周周四）
实验地点：校工厂车间二层实验室
参加人员：李翠、王蓝、包育典等9人
二、实验目的
1、了解虚拟焊接仿真的操作步骤和流程；
2、熟悉ARC+焊接模拟器的操作方法；
3、掌握某一种材料、母材装配、焊接位置的虚拟焊接仿真操作，并利用软
件进行焊接质量诊断和评价，发现焊接中存在的问题。
三、实验原理
焊接训练模拟器（Welding Simulator）是一台通过计算机处理器，模拟电弧焊接环境及操作过程的教学仪器。它不需要实际的焊接设备、气体、及金属基材，因而也不产生热、辐射及实际的电焊火花。它完全通过“3D 绘图模拟软件ARC”在显示屏上模拟显示真实的焊接环境，训练人员通过操作特制的模拟焊接手持焊枪，由探测器捕捉，即可在显示屏上模拟出真实的焊接过程、焊接产品及焊接效果。
显示屏为15寸触摸屏，无需键盘、鼠标，程序快速启动。可任意选择模拟基体材料、焊接工艺、焊接前后准备工作、焊接位置和焊枪姿态；可模拟超过100个焊接工艺、有多种训练模式选择；系统可进行网络连接、训练程序备份。
四、实验设备
Arc+焊接模拟器
1、仪器组成：
（1）硬件设备：实际焊接工艺模拟设备（焊枪）、Arc+焊接模拟系统、动态3D感应系统、焊接头盔；
（2）软件系统：3D绘图软件ARC+；
2、主要参数：
（1）应用范围：可实现MMA焊、MIG焊、TIG焊虚拟3D焊接环境模拟
（2）15寸触摸屏
（3）可任意选择集体材料、焊接工艺、焊接前后准备工作、焊接位置和焊枪姿态
（4）模拟超过100个焊接工艺
（5）多种焊接训练模式
3、设备特色：
(1)设备根据3D绘图软件ARC+和虚拟焊接工艺模拟设备（焊枪）进行
焊接模拟教学
（2）可以实现MMA焊、MIG焊、TIG焊虚拟3D焊接环境模拟
（3）针对不同焊接方法及焊接工艺参数进行焊接训练，并可针对焊接过程进行问题诊断
（4）可进行焊接工作的高度模拟，实现无污染、零耗材的焊接教学
4、主要应用：
（1）教学、认证培训及科学研究的焊接训练模拟；
（2）适用于被培训者多层次训练模式；
（3）操作人员焊接手法的提高；
（4）焊接工作质量评价；
（5）焊接问题诊断；
（6）虚拟金属工程项目；
（7）高度适应多样性操作，精确的运动定位技术能精密捕捉焊接操作运动；
（8）测试及记录被培训者能力进展的快速反应；
（9）练习日志记录。
五、实验内容及步骤
1、打开ARC+焊接模拟系统和动感3D感应系统，调试好实际焊接模拟设备
（焊枪）；
2、设定焊接数据，包括焊接工艺、材料、焊接位置等，准备焊接，如图1；
图1
3、右手拿焊枪（左手拿焊丝），调整焊枪角度和位置，确认最佳角度后，左脚踩下踏板，
4、开始焊接，如图2；
图2
5、保持好工作角度、弧速度、电弧伸出、行走角度、直线运动等手控变量，
从左到右，
6、完成焊接，并点击保存，如图3 ；
图3
7、根据系统所提供的焊接数据，进行焊接分析，并加以修正，如图4、图5、
图6、图7、图8；
图4
图5
图6
图7
图8
6、保存后，点击重试，进行下一次的焊接模拟。
六、实验结果处理与分析
实验结果均由系统直接得出：
图3显示平直度要求：完成度100%（通过等级80%），平直度100%（通过等
级80%）；
图4显示快速诊断数据：手动灵活度平均分为21%冶金结合为67%；
图5显示焊接基本信息：路径、焊接人、难度、左手（右手）、日期、诊断分
数等，以及焊接参数：线速度：192 po/min，焊接
速度：10 po/min，行进角度：42℃，电压：16V，
未熔合距离：8mm，工作角度：72℃；
图6显示焊缝画面以及焊接详细参数；
图7、图8显示了以上参数的详细信息，是图5中数据的扩展，包括在焊接
过程中各个参数的变化过程。
由以上数据分析可知，焊接平直度较好，但焊缝存在一定的缺陷，焊接质量不高，焊接速度和角度变化较大、不平稳，冶金结合不够，还需加强联系，提高焊接能力。
七、实验心得与体会
通过此次实验，我了解虚拟焊接仿真的操作步骤和流程，同时认识并熟悉ARC+焊接模拟器的操作方法，而且还掌握母材装配、焊接位置的虚拟焊接仿真操作，并利用软件进行焊接质量诊断和评价，发现焊接中存在问题。此次实验不仅锻炼了我的动手动脑能力，也让我熟悉并掌握了一项新设备。
由于是第一次接触焊接模拟器，在使用过程中，操作要领和操作流程掌握的还不牢固，焊接结果显示的并不理想。我反复练习了三次，与学长探讨，总结其他同学的经验教训，才渐渐掌握了一些技巧，但是仍不是很理想。3D 焊接模拟器可进行焊接工作的高度模拟，实现无污染、零耗材，而且焊缝图像重放，包括完整的图像重建和焊接参数动态显示，同时可针对不同焊接方法及焊接工艺参数进行焊接训练，并可针对焊接过程进行问题诊断。此设备会为我们练习手工电弧焊提供很大的帮助，希望还有练习和操作的机会。
最后，感谢李红老师以及研究生学长的详细讲解和悉心教导！
Flow3D学习——3 算例1 Aerospace Tutorial Aerospace Tutorial 新建一个项目，Model Setup Tab-Meshing & Geometry Tab-Subcomponent Tab-Geometry Files-c:\Flow3D\gui\stl_lib\tank.stl，Type and Potential 使用缺省选项，因为将引入其它形状作为固体，Subcomponent 1中坐标范围(Min/Max)为： X: 5.0～15.0, Y: 5.0～15.0, Z: 0.0～15.0 tank.stl的单位对FLOW-3D来说是未知的，可能是英寸、英尺、毫米等，现在假设模型是SI（国际单位），那么流体或固体的属性都应该是SI的。（这里有些糊涂，FLOW-3D会使用STL文件中的单位么？） 模拟的情况为从圆柱形底部入口向球形水箱内充水，计算域应该和此形状范围相近，略大一点但不能紧贴着形状边界。 底边界的位置和边界条件类型有关，如果入口处流速已知那么模拟多少入口长度没有关系，因为断面形状是固定的，但是如果特定位置的压力是已知的，那么要把边界放在该位置处因为压力会受入口长度的重力和粘性效应影响而变化。 建议计算域要大于最大几何尺寸的5%，底边界除外，可以小于5%，这样计算域底部和入口交叉，不会挡住水流，因此计算域定义为 X: 4.95～15.05 Y: 4.95～15.05 Z: 0.05～15.05 在Mesh-Cartesian的Block 1中按上面参数修改计算域尺寸，然后在Block 1上右键选择Update Mesh更新显示。 Re = Reynold数 = Inertial Force/Viscous Force = UL/ν Bo = Bond数 = Gravitational Force/Surface Tension Force = gΔρL^2/σWe = Weber数 = Inertial Force/Surface Tension Force = LU^2ρ/σ U是特征流速，L是特征长度，g是重力加速度，ρ是密度，σ是表面张力系数。这个问题中大约用100s充满水，冲水体积540立米，入口直径2m，入口流速为
Flow3d 9.3.2 Hydraulics Tutorial水力教程 本练习的目的是模拟水从水库通过薄壁堰流进下游水池。 图1 水流模拟 在设计中，模拟的第一步是需要完全了解要分析的问题。用流体力学知识，分析工程中哪些参数重要，怎样简化问题，可能出现什么问题，以及希望得到什么样的结果。 确定液体流动特性，如黏性、表面张力及能量作用大小的常用方法，是计算无量纲参数，如雷诺数、邦德数、韦伯数。 这里U是特征速度，L是特征长度，g是重力加速度，ρ是密度，σ 是表面张力系数。 对本问题，水从18cm高堰流过，水流在堰底的速度可近似按自由落体运动分析得出： Velocity = sqrt(2*980*18) = 187.8 cm/s 流体的雷诺数为： Re = 30cm x 187.8cm/s / 10-2cm^2/s = 5.6 x 105 雷诺数大，意味着与贯性力相比，黏性力不可忽略。因此，我们不需要精细的网格求解壁黏性剪切层。当然，由于流态的紊乱，液体内部有很多黏性剪切力，因此，需要在模型中指定黏性参数。 邦德数按下式求得： Bo = 980cm/s^2 * 1 gm/cc * (30cm)^2/(73gm/s^2) = 1.2 x 104
韦伯数按下式求得： We = 30cm * (187.8 cm/s)^2 * 1gm/cc / (73gm/s^2) = 1.45 x 104 再者，大的邦德数和大的韦伯数表明，与重力和惯性力相比，表面张力可忽略。模型是这种情况时，不考虑表面张力。 问题的大小（模型运行的时间）可以利用堰中心顺水流平面的对称特性进行简化。因此，我们仅仅需要模拟整个范围的一部分（即堰的后半部分），就可也得到堰的全部信息。我们已经对问题进行了简化，下面是如何建立这些条件，如何确定几何条件，利用flow3d求解问题。 建模 总体参数 点击“Model Setup”表的“General”表，“General”是确定整个问题的参数，如结束时间、结束条件、界面追踪，流体模式，液体的数量，提示选项，单位及精度。 对本教程，我们是想看流场，当液体达到几乎稳定状态时，它的时间是 1.0s。因此，通常设定结束时间为1.0s。对一个实际问题，可能运行这种模拟的时间会更长一些。但是，我们感兴趣的是速度，对于本运行，我们限定时间。在“Simulation units”标题菜单中，选CGS单位（厘米。克。秒），其它设置采用缺省设置。 在“总信息表Global tab”的底部注释中，你可以在第一行为问题指定一个名字。名字会出现在所有输出文件和图形上。本例名称为“Flow over a Weir”（过堰流体）。 建立几何体Geometry Setup 我们将添加元件定义堰体。首先，我们输入一个已有的STL文件，weri1.stl，该文件放在目录“c:\flow3d\gui\stl_lib”。切换到“几何与分网Meshing & Geometry ”表，单击工具条STL图标，会打开标题为“几何Geometry”的对话框，点击添加，打开对话框，找到并选择weri1.stl。在“Geometry File”点击ok，接受缺省设置。在之后出现的添加部件对话框中接受缺省设置。现在STL文件已经输入，并且出现在工作空间中。输入文件也被列在树形结构表中。 下面，我们将通过“FLOW-3D”简单建模创建另一个组件，来添加上游水库河床。在工具栏点击box（盒子）图标，盒子对话框显示如图2。