低合金钢焊接接头仿真分析毕业论文（上）(3)

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经过长期的合作开发和工业验证，SYSWELD的材料数据库包含了各种常用钢材、有色金属、淬火介质和典型工艺参数等数据。通过应用visual mesh几何网格工具，SYSWELD可以直接读取UG，CATIA的数据以及接受各种标准交换文件（ACIS，STL， VDA， IGES，STEP等等）。它能够与大部分CAE数据接口，兼容大部分CAE系统的数据模型。 1.7.2 SYSWELD软件的分析步骤

SYSWELD软件进行焊接温度场模拟时，基本的步骤有5个：模型的建立和离散化、热源校核（前处理）、焊接向导与检查、求解计算、计算结果后处理与结果分析。其中最为关键的步骤是模型的建立和离散化与前处理，这两个步骤处理的结果直接决定了计算时间、计算精度和计算结果。流程图见图1.1。

1.8 建立模型使用软件Viual—Mesh简介

Visual-Mesh是Visual-Weld进行焊接仿真分析的重要工具，兼容了UG、PRO-E等三维制图CAD软件。它利用自动划分网格，sweep面拉伸和体拉伸等，能够支持CAD输出，生成2D和3D网格，还可以编辑图像。通过MAP、3D、thransform、镜像等高级的命令对略微复杂的工件能够进行网格划分。另外，在用户指导以及自动处理下，Visual-Mesh基于网格拓扑提供了batch-meshing 实用程序[16]。

模型的建立与离散化

热源校核（前处理）

求解计算

焊接向导与检查 计算结果后处理与结果分析 本科毕业论文

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图1.1 SYSWELD模拟流程图

1.9 本章小结

本章主要阐述了课题研究的背景和意义、焊接瞬态温度场的数值模拟的国内外研究进展、焊缝组织的模拟方法和研究现状，并且提出了研究的主要内容。并且简要的介绍了一下SYSWELD软件的发展历程，例举了一下它可以实现哪些功能，又简单介绍了一下它的分析步骤。同时简单介绍了一下Visual-Mesh在模型建立和网格划分方面的独特之处。

2 低合金钢Q345D焊接接头的模拟过程

2.1 平板对接几何模型的建立和网格的划分

几何模型的建立是进行数值模拟的第一步，它的形状与焊件的形状、尺寸大小、载荷施加方式以及热源在焊件内部的热传导方式有关。本文使用Visual Environment6.5中的Visual Weld6.5建立模型，在进入界面后，选择Application菜单下的Mesh，这样就可以开始建立网格了。先画出一个面的八个节点，然后由点再构成面，生成二维网格，再利用拉伸功能生成三维模型。具体操作如下： 2.1.1 建立边界点

根据所选的板长度和厚度，计算出焊缝的横截面所在平面的八个点的坐标。从而在界面上生成八个边界点。对接接头试件的两块板的尺寸都为：250X50X4mm，图2.1为试件几何模型图。

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图2.1 试件几何模型图

2.1.2 1D实体的生成及二维网格的划分

将生成的八个边界点依次连接起来，生成三个矩形。使用2D菜单下的Automesh Surfaces生成二维网格。网格划分的多少将直接影响模拟的结果。由于焊接时热量主要集中于焊缝，因此在焊缝及其附近网格要很细密，而在距焊缝的较远的地方可以比较稀疏，形成一种渐变，这样既能够得到较准确地结果，又可以节省计算时间。根据多次模拟计算后得到的结果修改得到的网格如图2.2。沿板宽度方向的网格最小尺寸为0.5，最大尺寸为3，厚度方向最小尺寸为0.5，最大为1。

2.1.3 生成3D实体图

在二维网格划分完成后，使用3D菜单里的Sweep命令生成三维网格，同时选取合适的数值对沿焊缝方向进行单元划分，生成三维立体网格模型。焊接模型及网格划分如图2.3所示，共有69613个节点，1D单元300个，2D单元21588个，3D单元59400个。

图2.2 二维网格划分

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图2.3 焊接模型及网格划分

2.1.4 检查生成的网格

使用 Checks菜单里面的Coincident Nodes 命令对划分好的网格进行节点和元素检查，从而保证网格的完整性和去除重复元素以减少计算量，从而减少计算时间。

2.1.5 生成散热面

散热面是工件与外界接触的表面，散热面的大小、形状和外部介质的性质都将影响工件的冷却速度，从而影响焊接过程的热循环和焊接接头的性能。使用2D菜单里的Extract from 3D Mesh命令生成二维散热面并保存。

2.1.6 焊接线、焊接参考线、开始单元、起始点和终止点的选取以及各部分的重命名

根据实际焊接情况在实体表面选取焊接线（WL）、焊接参考线（RL）并对其进行单元划分，具体单元数与模型拉伸方向单元数相同。并在其上面选取开始单元（SE）、开始点（SN），结束点（EN）。最终选好的结果如上图2.3所示。 2.1.7 文件的保存

最后将建好的模型及附属操作，整体保存，保存成*.vdb和*.DATA*.ASC两种格式的文件，以便在以后过程中的使用或者使用过程中出现错误后查询与修改。

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2.2 热源校核

SYSWELD软件内置了三种常用的热源模型：平面高斯热源模型、双椭球热源模型和3D高斯圆锥形热源模型。这三种热源模型基本上满足了薄板、中厚板、厚板焊接所需的热源模型，为常见的焊接过程提供了基础的传热模式。由于面热源不考虑试件厚度方向的热流分布，因此和实际的焊接过程差别较大，所以体积分布热源更加符合实际焊接过程。于是双椭球体热源应运而生，沿轴分成前、后两部分能更好地模拟出焊接过程中移动热源的前端和后端不同的温度梯度分布。温度梯度分布大体分布为前端较陡，后端较缓；双椭球形热源模型结合了焊接电流的搅拌与挖掘作用，能够反映出电流沿深度方向对焊件进行加热的特点；虽然这种模型热流密度函数复杂，参数繁多，却有助于使用者得到更为准确的计算结果[17]。本文采用全自动二氧化碳气体保护焊对Q345D钢板进行焊接，熔池以同样的速度随热源移动，观察熔池可以看到焊缝金属的熔化和凝固是同时进行的，前半部分熔池进行熔化过程，后半部分熔池进行凝固过程。因此，数值模拟的热源模型选择双椭球体热源模型，示意图如图2.4所示。

作用于工件上的体积热源分成前、后两部分。设双半椭球体的半轴为（bf ，br ，a，c），设前、后半椭球体内热输入的比例分别是ff、fr。利用双椭球式，可以写出前、后半椭球体内的热流分布：

3x23y23z2qf(x,y,z)?exp(?2?2?2),x?0

acbf??bfac63(ffQ)63(frQ)3x23y23z2qr(x,y,z)?exp(?2?2?2),x?0

acbr??brac式中：q(x,y,z)为瞬时输送给焊件的前半部分、后半部分热能总量；ff、fr分别为总的输入功率在熔池前、后两部分的分配系数；bf、br、a、c均为双椭球体的热源形状参数。Q为电弧有效热功率，Q=ηUI，η为焊接热效率，CO2气体保护焊η取值0.8[16]。

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