下载文档原格式
有限元数值仿真焊接有限元数值仿真是一种通过计算机数值模拟物理现象的方法，在工业生产过程中具有广泛应用。
在焊接工艺中，有限元数值仿真可以模拟焊接时的温度场、应力场、塑性应变等，从而预测焊接过程中可能出现的问题。
本文将介绍有限元数值仿真在焊接中的应用。
有限元数值仿真是一种基于数学模型的数值计算方法，用于模拟各种物理现象，包括结构力学、流体力学、热传导等。
该方法将连续体划分为有限数量的单元，在每个单元内建立数学模型进行计算，然后通过单元之间的边界条件关系，将所有单元的结果综合起来得到整体结果。
在焊接中，有限元数值仿真可以将焊接过程分为一系列的时间步骤，每个时间步骤内进行温度场、应力场、塑性应变等参数的计算，并通过不同的单元间的耦合关系完成最终的模拟，得到焊接过程中的温度场、应力场等参数。
1. 模拟焊接过程中的温度场有限元数值仿真可以模拟焊接过程中的温度场分布，对于评价焊接接头的质量和找出潜在的焊接问题非常有帮助。
通过数值仿真，可以预测焊缝的温度分布，从而避免出现焊接缺陷，如裂缝、变形等。
2. 分析焊接接头的应力场在焊接接头中，由于温度的变化，焊缝处可能存在应力集中，而应力集中部位可能会导致焊接接头的破坏。
有限元数值仿真可以模拟焊接接头的应力场分布，查找潜在的应力集中问题，并提供相应的解决方案。
3. 预测焊接接头的变形焊接过程中，由于热应力的影响，焊接接头可能会发生变形。
有限元数值仿真可以预测焊接接头的变形情况，并提供解决方案。
同时，这也可以作为指导焊接过程控制的重要依据。
焊接接头的塑性应变是评价焊接接头质量的一个重要指标。
有限元数值仿真可以模拟焊接接头的塑性应变，以评估接头的结构强度和稳定性。
三、有限元数值仿真的研究发展现状随着计算机技术的发展，有限元数值仿真在焊接领域已经取得了很大的进展。
目前，国内外多个研究机构都在进行有限元数值仿真技术的应用研究。
例如欧洲联盟已经成立了一支由11个成员组成的焊接数值分析小组，他们致力于推动有限元数值仿真技术的发展和应用。
数值模拟在焊接中的应用数值模拟在焊接中的应用摘要：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。
概括介绍了数值分析方法,综述了国内外焊接数值模拟在热过程分析、残余应力分析、焊接热源分析方面的研究现状及发展趋势。
关键词：焊接；数值模拟；研究现状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。
计算机技术的飞速发展给各个领域带来了深刻的影响。
结合数值计算方法和技术的不断改进，工程和科学中越来越多的问题都可以采用计算机数值模拟的方法进行研究。
采用科学的模拟技术和少量的实验验证，以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模拟解决一些目前无法在实验室里直接进行研究的复杂问题。
用数值方法仿真实际的物理过程，有时被称为“数值实验”。
作为促进科学研究和提高生产效率的有效手段，数值实验的地位已经显得越来越重要了。
在工程学的一些领域中，已经视为和物理实验同等重要。
与焊接生产领域采用的传统经验方法和实验方法相比，数值模拟方法具有以下优点：（l）可以深入理解焊接现象的本质，弄清焊接过程中传热、冶金、和力学的相互影响和作用；（2）可以优化结构设计和工艺设计，从而减少实验工作量，缩短生产周期，提高焊接质量，降低工艺成本。
一、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：(1)解析法,即数值积分法；(2)蒙特卡洛法；(3)差分法；(4)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。
爆炸消除焊接残余应力的数值模拟爆炸消除焊接残余应力的数值模拟焊接残余应力是一个常见的问题。
在焊接过程中，高温物质的热膨胀和收缩会导致材料的形状发生变化，进而产生残余应力，这将会影响机械性能和耐用性。
而解决残余应力的方法之一就是爆炸消除技术。
本文将介绍通过数值模拟爆炸消除焊接残余应力的方法。
首先，我们需要建立一个三维的有限元模型。
这个模型应该和我们想要焊接的实际工件尽可能接近。
我们可以使用数值计算软件或者有限元分析软件来构建这个模型。
在建模的过程中，我们需要考虑焊接热源、导热、冷却和热膨胀等因素。
然后，我们需要确定爆炸消除技术的参数。
爆炸消除包括激波、爆炸和喷射等过程。
我们需要考虑爆炸药的种类、粒度和密度、爆炸药与工件之间的距离、爆炸的时间、爆炸的方向和强度等因素。
这些参数的确定需要基于实验和经验，并结合实际情况进行调整。
接下来，我们需要进行数值模拟。
我们将爆炸消除过程和焊接过程连接在一起进行模拟，同时考虑材料的耐热性，热膨胀系数以及变形发生的顺序等因素。
在数值模拟的过程中，我们需要对边界条件进行适当的设定，如限制边界和速度边界。
同时，我们还需要考虑计算时间和内存的限制，保证计算的收敛性和稳定性。
最后，我们需要对模型进行结果分析和数据处理。
我们可以通过结果图表来直观地展现残余应力的分布和变化情况，并进行相关数据的分析和处理。
我们还可以通过比较实验结果和数值模拟结果来验证模型的准确度和可靠性。
总之，数值模拟是一种有效的解决焊接残余应力问题的方法。
通过建立合适的模型，确定正确的参数和进行精确的计算和分析，我们可以更好地掌握焊接残余应力的变化规律，并采取有效的措施来解决这个问题。
对于焊接残余应力的数值模拟分析，我们需要进行相关数据分析，以确定残余应力分布的规律和变化趋势。
首先，我们需要收集和分析关于焊接材料的相关数据，如热膨胀系数、热导率、比热容、密度、杨氏模量和泊松比等。
这些参数对于确定焊接过程中热膨胀和冷却的效应非常重要，尤其是在数值模拟中。
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，很难准确地解决生产实际问题。
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，其中就包括焊接热加工过程的数值模拟。
目前，焊接数值模拟已遍及各个焊接领域，主要研究内容包括焊接热传导分析、焊接熔池流体动力学、电弧物理、焊接冶金和焊接接头组织性能的预测、焊接应力与变形、焊接过程中的氢扩散、特殊焊接过程的数值分析以及焊接接头的力学行为等。
国内也开发了不少焊接应用软件，如清华大学开发的通用型弧焊工艺专家系统、哈工大和哈锅开发的焊接工程数据库及专家系统、太原重机厂研制的焊接工艺规程设计CAPP系统等。
不锈钢/钢复合板的爆炸焊接试验与数值模拟针对实际生产中在爆炸焊接窗口内取值时因为所取参数不同而导致生产的复合板结合强度差异较大这一现状,选取现代工业中复合板生产量最多的不锈钢／钢复合板作为研究对象,通过实验与分析并且结合数值仿真模拟,研究界面结合强度与界面波形的关系以及两者随工艺参数的变化规律,找到窗口内的最佳工艺参数,以提高爆炸焊接复合板质量以及生产效益。
主要工作及成果有如下几点：首先,根据理论公式编写了完整的计算爆炸焊接窗口与工艺条件的计算机程序,通过对计算得到的不锈钢/钢爆炸焊接窗口内的参数系统地取值,确定相应的工艺条件进行爆炸焊接实验。
其次,测试实验所制得复合板的力学性能,发现最佳装药量的选取方式与复板厚度有关。
当复板(SUS304)的厚度较薄(文中为3mm)时装药量取值应比理论计算最佳值偏高；当复板(SUS304)的厚度较厚(文中为6mm)时装药量取值应比理论计算下限值稍低。
在实际生产中,对于SUS304和Q345R的爆炸复合来说,当复板较薄(文中为3mm)时,如果优先考虑复合板结合质量,药厚的取值为30mm时效果很好,如果优先考虑生产成本,药厚取值可以为15mm,这样得到的复合板结合质量也符合标准要求；当复板较厚(文中为6mmm)时,药厚为25mm时能得到较好的结合强度。
再次,对复合板的结合界面进行金相分析,发现随着装药量的增加,波长和振幅也都会增加。
装药量一定时,不同的工艺得到的界面波形的波长和振幅随着复板与基板间距的增加而先增大然后减小。
界面的结合强度与波长和振幅先正相关,一定程度后负相关。
当界面波的波长相同时,振幅越小,界面的结合强度越高。
间距的取值对于结合界面的影响要远小于药量的取值,对于复板(SUS304)厚度为3mm的情况,间距为8mm是较好的取值,装药量的不同对于最佳间距取值影响不大。
最后,结合ANSYS/LS-DYNA进行数值模拟,得到了与现实比较符合的关于复板运动姿态,运动速度以及结合界面压力的计算结果,并且结合实验的分析发现飞行过程中复板的速度先增大后减小,在碰撞后速度仍然会有波动。
焊接数值模拟研究现状摘要：随着计算机软硬件技术的快速发展,使得研究复杂焊接结构的焊接过程成为可能，为我们研究单层网壳结构中箱型截面焊接节点制创造了条件。
本文主要介绍焊接数值模拟概念及方法，热源模型研究现状、焊接数值模在残余应力方面的研究现状。
关键词：焊接，数值模拟，残余应力引言：焊接数值模拟是随着社会进步和计算机发展而兴起的一种模拟分析方法。
该法可以弥补实验研究方法试验场地难、实验经费高以及理论分析很难应用于复杂模型的问题，缩短了试验周期和计算的繁琐，有限元数值模拟可以较好的模拟节点在不同边界条件、不同荷载、不同材料性能等情况下的受力性能，通过有限元应力和应变结果的分析，可以对节点的受力有一个较好的了解和把握，对于受力的薄弱区可以采取相应的措施，而且条件的改变和模型的建立在有限元软件中都可以实现。
1.焊接数值模拟概念及方法焊接数值模拟就是通过建立适当的数学模型，对其施加初始条件和边界条件，求解相应的微分方程组来解决焊接热过程、应力和变形等问题，并将分析得到的结果通过计算机直观地表达出来，设计人员可以通过模拟焊接过程对焊件进行检验，并对工件结构形式以及焊接工艺参数进行优化[1]。
焊接数值模拟常用的方法有三种：差分法、有限元法和边界元法[2]。
差分法顾名思义就是运用简单的差商对函数进行计算。
目前，能进行焊接模拟的主要软件有：ANSYS、ABAQUS、MARC、Simufact.welding、SYSWELD、JWRIAN等。
2.焊接数值模拟热源模型研究现状实际焊接过程中熔池受到保护气体及焊接电弧的冲击等多种因素的复杂影响，熔池内的瞬态热流密度和温度分布难以通过试验准确获得[3]，因此国内外学者根据熔池轮廓特点建立了相应的简化模型。
热源模型的准确性通常采用熔池轮廓匹配原则进行评估，即对比模拟熔池横截面与实际焊缝横截面，两者越接近表示建立的热源模型及参数越接近实际焊接热流分布。
由于焊接工艺及参数直接影响了焊缝横截面的形状和尺寸，因此国内外研究学者针对不同的焊接工艺及参数开发了一系列热源模型，使得模拟熔池横截面能与实际焊缝横截面相匹配。
金属爆炸焊接市场发展现状概述金属爆炸焊接作为一种高效、可靠的焊接方法，广泛应用于各个领域。
本文将对金属爆炸焊接市场的发展现状进行分析，包括相关技术的应用范围、市场规模、竞争格局等方面的内容。
技术应用范围金属爆炸焊接技术主要应用于以下领域：1.能源行业：在核电站、石油化工等行业中，金属爆炸焊接可以应对高温、高压的工作环境，确保设备的安全可靠性。
2.航空航天领域：金属爆炸焊接在航空发动机、航天器构件等的制造中起到重要作用，提升了零部件的连接强度和寿命。
3.汽车制造业：金属爆炸焊接可以用于汽车发动机的缸盖和缸体连接，提高了汽车发动机的性能和可靠性。
4.建筑工程：在大型钢结构的连接中，金属爆炸焊接可以提供更牢固的连接方式，增加结构的稳定性。
市场规模金属爆炸焊接市场规模持续增长，主要得益于以下几个因素：1.技术优势：金属爆炸焊接以其独特的优势，如瞬时高温、高压和高应变率等，使得焊接接头具有较高的连接强度和良好的界面性能。
2.应用需求：随着工业化进程的推进，对高性能、高可靠性焊接接头的需求不断增长，金属爆炸焊接技术得到了广泛应用。
3.市场竞争：市场上存在多家专业的金属爆炸焊接设备和服务提供商，加强了市场竞争，推动了技术的进一步发展和市场规模的扩大。
根据市场研究机构的数据显示，金属爆炸焊接市场在过去几年中以每年约10%的增长率增长，预计未来几年内将继续保持良好的发展态势。
竞争格局金属爆炸焊接市场存在多家主要厂商竞争，其中一些公司在技术研发和市场拓展方面处于领先地位。
竞争格局主要表现为以下几个方面：1.公司规模：大型跨国公司在金属爆炸焊接市场中具有较大优势，拥有雄厚的技术实力和全球市场拓展能力。
2.技术创新：竞争激烈的市场使得各家企业不断进行技术创新，开发出更加高效和可靠的金属爆炸焊接设备和工艺。
3.服务支持：公司的售后服务支持能力也是竞争的关键因素之一，服务质量和及时响应能力将影响客户的满意度和忠诚度。
由于金属爆炸焊接市场的前景广阔，各家企业纷纷加大对研发和市场拓展的投入，以争夺更多市场份额。
数值模拟在爆炸焊接中的应用现状概述摘要对爆炸焊接数值模拟技术发展现状进行了综述，比较了几种常用软件和算法的特点，并阐述了爆炸焊接领域中的应用情况和存在问题。
关键词爆炸焊接；数值模拟；概述爆炸焊接过程具有瞬时性、高能量输出等特点，且原理复杂，如果采用常规方法来研究爆炸焊接的过程和确定某些参数存在较大难度，即使借助某些高科技测试仪器，得到的测试结果往往也不能很精确，且需要投入大量的人力和物力资源。
因此，采用数值模拟方法研究爆炸焊接则成为一种较好的选择。
数值模拟技术诞生于20世纪50年代。
近年来，随着计算机硬件技术的快速发展，数值模拟技术也有了大幅度的提升，在爆炸焊接领域中的应用也日益广泛。
以当下的技术现状，通过高精度的数值计算来模拟爆炸焊接过程已经成为可能。
本文从常用算法、研究方向、已有成果等方面出发，综述了目前爆炸焊接数值模拟的研究现状，并探讨了爆炸焊接数值模拟技术研究中面临的问题和发展前景。
1 常用软件概述爆炸焊接过程具有高速、大变形的特点，使用计算机模拟软件对其进行分析多采用显示动力分析的方法，目前对其进行计算的主要软件有LS-DYNA、AUTODYN、ABUQUS等，其他如DYTRAN也有应用。
1.1 LS-DYNALS-DYNA是世界上知名度极高的通用显式动力学计算软件，1976年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室由J.O.Hallquist主持开发完成。
该程序能够模拟现实的各种复杂物理状态，尤其适用于求解各种2D、3D非线性的高速碰撞、爆炸和金属材料成型等非线性动力冲击情况。
在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包[1]。
1.2 AUTODYNAUTODYN是一种显式非线性动力分析程序，适用于解决固体、流体、气体以及他们之间互相作用的非线性动力学问题，该方法的核心在于把复杂的材料模型与流体结构程序的无缝结合，新一代有限元求解器求解更大型模型速度较快，而且能够与其他有限元求解器和CAE软件通用，因此AUTODYN的灵活性得到大大提高，此外对振动和爆炸的应用案例求解提供了更高的精确度。
1.3 ABAQUSABAQUS也是较为先进有限元分析软件，适用于非线性动力学分析，能够分析复杂的力学互相作用系统，尤其能够模拟高度非线性的复杂问题。
有文献认为，ABAQUS对爆炸与冲击过程的模拟相对不如LS-DYNA。
2 常用算法爆炸焊接常采用的算法有Lagrange（拉格朗日）法，Euler（欧拉）法，ALE （任意拉格朗日欧拉耦合法），近些年来又出现了SPH法（流体动力学法）等。
2.1 Lagrange法拉格朗日网格是固定在物体上随物体一起运动，因此物质点与网格点之间是相对固定的，这就在很大程度上简化了控制方程的求解过程，缩短了求解时间，而且能对对象的移动界面进行准确描述；但是对于大变形情况，尤其是分析流体动力学的时候，这种方法会造成有限元网格畸变，严重时会导致计算终止。
2.2 Euler法欧拉算法网格固定在空间中不发生位移，在计算时材料会在固定的网格中流动，因此在单元边界上会有质量的流入和流出，也会有动量和能量的输入和输出。
基于此特点，欧拉算法尤其适合于大变形情况下的模拟。
2.3 ALE法ALE法整合了拉格朗日和歐拉算法的优点，是一种优化的算法，可以允许网格畸变以及自由液面流动情况下的模拟。
2.4 SPH法光滑粒子流体动力学（SPH）方法近年来使用日益广泛，其优点在于模型由许多粒子组成，不会因为网格畸变、网格与材料的界面问题而计算错误，可以更好地求解高速碰撞算例。
该方法应用于爆炸焊接中，能够很好地再现爆炸焊接过程中的界面波形貌。
3 技术研究现状3.1 原理及微观现象研究对原理和微观现象的研究一般多采用SPH方法，并在细观小尺寸模型下进行研究。
大连理工大学李晓杰利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析程序，建立了基于光滑粒子流体动力学方法的、包括Johnson-Cook材料模型以及Grüneisen状态方程的热塑性流体力学模型，成功模拟出了爆炸焊接界面波的形貌。
北京理工大学陈鹏万等采用了SPH方法成功地进行了铝镁复合板爆炸焊接的数值模拟。
研究指出在使用较小的焊接工艺参数时，出现了平直型的结合界面，并且没有出现射流。
当间距增大时，可以观察到波形界面，但是没有射流出现。
当药厚和间距均增大时，可以看到带有漩涡的波形界面，而且有射流从母材喷射出。
当药厚和间隙进一步增大，界面波的波幅和波长均有增大，并且在漩涡中心形成小孔洞。
江苏大学刘江等运用非线性显示动力学分析软件AUTODYN模块中的光滑粒子动力学方法（SPH）对基、复板斜碰撞过程做了二维模拟计算，观察到了射流现象和界面成波现象，并揭示了在整个模拟过程中剪切应力、有效塑性变形、温度以及其他材料的物理性能参数随时间变化的规律[2-4]。
A.Akbari Mousavi等借助AUTODYN-2D软件运用有限元方法模拟了爆炸焊接中波状界面的产生机理，并对波状界面的涡流参数进行了定量分析，认为剪力流和和周期性波动是产生波状界面的重要因素，指出波状界面的波幅波长比与涡流状区域中心的纵间距与横间距比值分别约为常数0.3和0.22的结论。
Katsumi Tanaka使用SPH方法模拟爆炸焊接，并得出金属复合板的力学性能可由碰撞速度和碰撞角来控制的结论。
3.2 爆炸现象的研究宏观现象的模拟主要是在大模型下，针对界面压力及分布、过程速度、应力、复板位移等参数的模拟。
西安交大张之颖使用ANSYS/Ls-DYNA并采用足尺模型，对大幅钛钢复合板脱焊问题进行了模拟。
发现了爆炸焊接时的褶皱现象，是钛材料特性、炸药起爆方式和板幅尺寸三方面因素共同作用的结果。
薛志国等使用ANSYS/LS-DYNA 有限元程序对大面积钛/钢复合板进行了模拟分析，可以直观看到大板在爆炸焊接过程中任意时间下的碰撞压力、应力、位移云图和节点位移。
王宇新编写了基于MPM法的数值模拟软件SPS 2.0，并在该程序下对爆炸焊接问题进行模拟，分析了爆轰载荷作用下的飞板和基板的金属动态变形过程，并对飞板的碰撞点速度和爆轰压力变化进行了计算。
Mohammad在利用ABAQUS有限元软件进行爆炸焊过程的模拟时，提出有限元网格尺寸可在一定程度上影响射流，而这对爆炸焊接模拟的成败起到决定性作用。
Grignon在2004年采用Raven程序模拟了6061铝合金的爆炸焊接问题，通过改变基复层间距来变化碰撞角，并得出结论基复板间距和碰撞角的大小直接影响焊接界面的状态[5-11]。
隋国发等采用LS-DYNA有限元程序对钢-铜双层圆管爆炸焊接进行了模拟，重点研究了炸药量和焊接界面、覆管承受爆轟和碰撞压力的关系，以及基复管碰撞速度和能量的影响，提出了碰撞角和基复管碰撞速度必须足够大才能实现结合。
4 现存问题及发展前景展望就目前研究现状来看，多为对爆炸焊接机理与宏观参数的模拟，对相关科研人员深入理解爆炸焊接是有积极作用的。
然而，对于爆炸焊接生产中出现的问题，如材料断裂、特征部位脱焊等问题方面的研究，目前极少有人涉及。
随着计算机技术的进一步发展与爆炸焊接生产技术的需求，这将是爆炸焊接模拟技术发展的重要方向。
参考文献[1] A.Akbari Mousavi，Al-Hassani STS. Simulation of explosive welding using the Williamsburg equation of state to model low detonation velocity explosives[J]. International Journal of Impact Engineering ，2005，31（6）：719-734.[2]A.Akbari Mousavi，Burley SJ，Al-Hassani STS.Simulation of explosive welding with anfo mixtures[J]. Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2004，29（3）：188-196.[3] Tanaka K. Numerical Studies on the Explosive Welding by Smoothed Particle Hydrodynamics （SPH）[C]. Aip Conference. American Institute of Physics，2007：1301-1304.[4] 李晓杰，莫非，闫鸿浩.爆炸焊接倾斜碰撞过程的数值模拟[J].高压物理学报，2011，25（2）：173-176.[5] 张之颖，彭磊，刘润生，等.大幅板爆炸焊接脱焊问题的数值模拟[J]. 爆炸与冲击，2012，32（1）：51-54.[6] 薛治国.大面积钛钢复合板爆炸焊接过程的有限元模拟与分析[D].西安：西北工业大学，2007：1-9.[7] 刘江，郑远远，沈宗宝，等.基于SPH方法的爆炸焊接过程模拟[J]. 焊接技术，2013，42（12）：17-20.[8] 王宇新，孙明，杨文彬，等.双金属爆炸焊接窗口计算机仿真[J]. 爆破器材，2002，31（5）：29-31.[9] Grignon F，Benson D，Vecchio K S，et al.Explosive welding of aluminumtoaluminum：analysis，computations，and experiments[J].International Journal of ImpactEngineering，2004，30（10）：1333-1351.[10] 隋国发，李金山，马贝，等.炸药量对双层圆管爆炸焊接影响的数值模拟[J].材料科学与工艺，2010，18（6）：741-745.[11] Mohammad Tabatabaee Ghomi，Jafar Mahmoudi，Abolfazl Khalkhali，etal. Explosive Welding of Unequal Surface Using Groove Method[J].Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering，2012，36（2）：113-125.。
