（材料加工工程专业论文）gmaw焊接熔池传热传质特征建模及智能化处理系统的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 熔化极气体保护焊( g m a w ) 是当今世界工业生产中应用最为广泛的焊接方法之一。 随着工业化生产对焊接自动化的要求越来越高，对焊接过程的智能监控就成为焊接技术 发展的一个极为重要的方向。焊接熔池中流体的流动及其传热过程对焊接过程及焊接质 量有着极为重要的影响，因此对g m a w 焊接熔池热过程进行数值模拟，对焊接智能化 控制获取控制参数有着重要的实际和理论意义。 本文根据流体力学和传热学的理论知识，建立了运动电弧作用下三维( m a w 焊接 非稳态数学模型，并采用有限元的方法对模型进行了离散化处理。在该模型中综合考虑 了使熔池金属产生运动的浮力、电磁力、表面张力、熔滴冲击力等驱动力，并且考虑了 熔滴带入熔池的热量和动量对整个焊接热循环过程的影响，同时考虑了材料的热物理性 能参数随温度的变化、焊接过程中熔池与外界的能量的交换，以及熔化凝固相变对熔池 流场及温度场的影响。热源采用了双高斯熟源叠加的热源模式，较好的符合了g m a w 焊接热流的双峰分布形态。 根据g m a w 焊接熔池温度场和流场的特点，本文利用通用有限元软件a n s y s ，采 用非均匀网格对单元进行了划分，使用热源叠加的方式对g m a w 焊接熔池热量的吸收 进行了处理，对所建的数学模型进行求解。初步计算了焊接电流和焊接速度对焊接温度 场分布的影响。通过焊接工艺实验，测量的焊缝熔宽和熔深结果与计算结果相比较，结 果表明本文所建模型的计算值和实际测量值相差不大，因此验证了所建模型和采用的软 件方法是正确、可靠的。 根据g m a w 焊接过程的特点，结合智能诊断的基本理论，对g m a w 焊接质量诊 断过程进行了整体方案的设计，并利用误差反向传播算法( b p 算法) 建立了人工神经 网络质量预测模型，应用计算工具m a t l a b 对神经网络预测模型进行了计算。此外， 还对质量智能诊断过程中的特征提取和逆a n n 模型的计算方法进行了初步的研究，给 出了基本的算法程序。并采用焊接工艺实验对本文所建立的质量预测模型进行验证。实 验结果表明，所建立的模型和采用的计算方法是正确和可靠的。 关键词：g m a w , 质量控制，热场，神经网络 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t g a sm e t a la c t i v ew e l d i n gi so n eo f t h em o = p o p u l a rw e l d i n gm e t h o d si nt h ew o r l di 1 1 d u s 嫡a l p r o d u c t i o nn o w i n t e l l e c t u a l i z e dw a t c h i n gf o rw e l d i n gp m c e s si sa l li m p o r t a n tw a ya b o u tw e l d i n g t e c h n o l o g yd e v e l o p i n gw i t hi n d u s t r i a l 舯d u c t i o nm o l eh i g hn e e dw e l d i n ga u t o m a t i z a t i o n l i q u i d f l o w i n ga n dt r a n s f e r r i n gi nw e l d i n gp o o lh a v ek e ye f f e c tf o rw e l d i n gp r o c e s sa n dw e l d i n gq u a l 畋 s oi ti s i m p o r t a n ta c t u a la n da c a d e m i cm e a n i n gf o rw e l d i n gi n t e l l e c t u a l i z e d t og e tc o n t r o l p a r a m e t e r t h a ts i m u l a t i n g g m a w w e l d i n g p o o l t r a n s f e r r i n g p r o c e s s b a s e do nt h e o r i e so fh y d r o m e c h a u l c sa n dh e a tt r a n s f e r , t h ea r t i c l ee s t a b l i s h e dat h r e e d i m e n s i o n a lt r a n s i e n tn u m e r i c a lm o d e l ，a n dd i s p e r s ed i s p o s e rw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tf o rt h e m o d e l t h em o d e lc o n s i d e r i n gb u o y a n c y 、e l e c t r o m a g n e t i cf o r c e 、s u r f a c et e n s i o n 、d r o pw a l l o p d r i v i n gw e l d i n gp o o lm o v e m e n t ，c o n s i d e r i n gt h ee n e r g ya n dm o m e n t u mo fd r o pe f f e e t i n gt h e a l l w e l d i n gh e a tc i r c u l a t i o n ，a n dc o n s i d e r i n gt h ev a r i a t i o no fm a t e r i a lt h e r m op h y s i c a l p a r a m e t e r 、t h ee n e r g yc h a n g eb e t w e e nw e l d i n gp o o la n de n v i r o n m e n ta n dl a t e n th e a to f p h a s e c h a n g ea f f e c t i o nf o rw e l d i n gp o o la n dt e r n p c r a t u r ef i e l d h e a ts o u r c ei n t r o d u c e sad o u b l eg a u s s h e a ts o u r c es p l i c e d ，i t i s p r e f e r a b l y a c c o r d w i t h t w i n a p e x m o d e o f g m a w h e a t f l u i d a c c o r d i n gw i t hc h a r a c t e r i s t i co fg m a ww e l d i n gp o o lt e m p e r a t u r ef e l i da n df l o w i n g f e l i d ，i tu s e st h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sa n dd i v i d e se l e m e n t sw i mn o n u n i f o r mg r i d ， d e a l sw i t l lg m a ww e l d i n gp o o l sh e a ta b s o r b i n gb ys p l i c i n gh e a ts o u r c e a n ds o l v e st h em a t h m o d e l p r i m a r yc a l c u l a t ew e l d i n gc u r r e n ta n dw e l d i n gs p e e da f f e c t i n gw e l d i n gt e m p e r a t u r e f i e l d n l er e s u l t so fc o m p a r i s o ns h o wt h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa p p r o x i m a t e l ya g r e ew i t ht h e e x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e da b o u tw e l d i n gw i d t ha n dw e l d i n gd 印l h ，i ti sp r o v e dt h em o d e la n d t h es o f t w a r ea r ec o r r e c ta n dc r e d i b l e a c c o r d i n g 涌也c h a r a c t e r i s t i co fg m a ww e l d i n gp r o c e s s c o m b i n i n gt h et h e o r i e so ft h e i n t e l l e c t u a l i z e dd i a g n o s e s ，i td e s i g nt h ew h o l ep r o j e c to fg m a w q u a l i t yd i a g n o s e s ，e s t a b l i s h m a n u a ln e u r a ln e tm o d e lb yu s i n ge r r o rb a c k - p r o p a g a t i o na r i t h m e t i c ( b pa r i t h m e t i c ) ，a n d s o l v et h em o d e lw i t hc a l c u l a t i n gt o o lm a t l a b f u r t h e r , p r i m a r ys t u d yt h a tp i c k i n gu p q u a l i t yc h a r a c t e ro fi n t e l l e c t u a l i z e dd i a g n o s e sp r o c e s sa n db a c k - a n n , a n dg i v et h ep r i m a r y a r i t h m e t i cp r o g r a m t h er e s u l to fc o m p r i s i n gt e c h n i c a lt e s tw i t hm o d e ls h o wt h a tt h em o d e l a n dc a l c u l a t e dm e t h o da r ec o r r e c ta n dc r e d i b l e k e yw o r d s ：g m a w , c o n t r o lq u a l i t y , h e a tf i e l d ，n e u r a ln e t n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名 枷够年 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 弘诎 6 月穹日 指导教师签名 0 4 - 年莎月9 目 y 1 0 1 8 1 1 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 纭吱 1 日期：淅￥年6 月7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 课题来源及选题意义 第一章绪论 熔化极气体保护焊( g m a w ) 包括熔化极惰性气体保护电弧焊( m i g ) 和富氩混合气 体保护电弧焊( m a g ) ，是生产中广泛采用的焊接方法，具有焊缝质量好、可操作性强、 生产效率高等优点，可用于各类金属材料的焊接。从最近十几年来美、德、日等工业发 达国家焊接材料和保护气体的生产及使用情况统计数据来看，g m a w 焊接方法已经在 很大范围内取代了手工电弧焊，并在焊接生产中发挥着越来越大的作用【m 】。由于其易 于实现焊接生产的自动化和过程控制的智能化，符合未来焊接技术发展的趋势【3 】，其应 用比例将进一步扩大，并广泛地用于机械化焊接和机器人焊接【4 】 焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时 的传热传质过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等。要得到一个 高质量的焊接接头必须要控制这些因素。一旦各种焊接过程能够实现计算机模拟，我们 就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料时的最佳工艺方法和焊接参数。此 外，建立焊接工艺参数与焊接接头质量之间的关系是实现g m a w 焊接生产自动化、过 程控制智能化的基础，也是制订焊接工艺方案的重要依据。焊接工艺参数决定着熔池的 流场、温度场，而熔池的流场，温度场对焊接质量有重要影响。 焊接熔池中的流体流动及其传热过程对焊接质量有着重要的影响，这一点可以从以 下几个方面来看垆j ： ( 1 ) 焊接熔池中的液体金属是激烈运动着的。这种运动使得熔池中的热量和质量 的传输过程得以进行，而热量和质量的传输过程又对熔池的形状、结晶、气体和夹杂物 的吸收、聚集和逸出，化学成分的均匀性，以及化学反应动力学等都有很大的影响。因 此，熔池中的流体流动情况能够影响焊缝的组织结构及性能。此外，焊道的咬边及表面 光滑度等都与熔池中的流体流动密切相关。 ( 2 ) 焊缝和热影响区金属组织的变化，。除了金属本身的冶金因素之外，还决定于 焊接热循环。某点所经历的加热速度、加热的最高温度、高温停留时间和随后的冷却速 度都决定着该点的组织和性能。 ( 3 ) 在弧焊机器人和焊接质量计算机控制系统中，一般采用焊件的熔深作为被控 量。因为焊接熔池尺寸较小、温度极高，且由于电弧光的干扰，用实验方法来测量熔池 江苏大学硕士学位论文 中的对流是非常困难的，即使观察熔池表面流体流动的情况也是相当困难的。因此在焊 接过程中直接检测出熔深难度很大，所以将焊件的温度场这一间接变量作为被控制量， 这就必须事先确定出不同情况下焊件温度场与熔深的对应关系、通过控制焊件的温度场 来控制熔深。 ( 4 ) 弧焊机器人焊接参数自动规划是一种新的焊接质量控制方法。其中，关键问 题是建立焊接参数自动规划系统的数学模型。即确定不同板厚、母材、坡口等条件下焊 接工艺参数与焊缝几何尺寸之间的关系。可以通过一系列的规划实验来确定这种关系， 但这需要进行大量的工艺实验。用数值模拟方法来建立这种定量关系，是一种经济、可 行的有效方法。 因此，用科学的数值模拟和少量的试验验证相结合的方法来对焊接熔池流场与温度 场进行研究，为我们更好的理解焊接过程中所发生的一系列复杂现象提供了手段。数值 模拟是目前研究焊接熔池行为最为有效的工具。因此，定量地分析焊接熔池中的流体流 动及传热过程具有重要的理论学术价值和实际意义，属当前焊接学科前沿领域之一。本 课题所做的工作是江苏省高技术研究项目“弧焊机器人智能化系统”中的部分工作。 1 2 焊接热过程数值计算概述 1 2 1 焊接热过程计算研究领域的国内外现状 对于焊接热过程的研究早在3 0 年代就已开始。d 罗森塞尔分析了移动热源在固体 中的热传导。之后，前苏联的雷卡林又进行了大量工作，用解析法推导出了一整套计算 公式【6 】，但是，这些研究是在如下一些假设条件的基础上进行的： ( 1 ) 热源集中于一点、一线或一面。 ( 2 ) 材料无论在什么温度下都是固体，不发生相变。 ( 3 ) 材料的热物理性能参数不随温度变化。 ( 4 ) 焊接构件的几何尺寸是无限的( 对应于点热源和线热源，焊接试件分别为半无 限大体和无限大薄板1 。 这些假设条件与焊接传热的实际情况有较大的差异，致使距离熟源较近部位的温度 计算发生了极大的偏差。但这里恰恰是我们最关心的部位。因为从工艺上，确定熔化区 域的尺寸及形状是十分有意义的，从冶金上，相变点以上的加热范围是研究的重点。 由于焊接热过程的经典理论公式给不出令人满意的结果，所以从5 0 年代开始，有 许多研究者试图在雷卡林公式的基础上，针对其不合理的假设条件，对其从某一方面进 2 江苏大学硕士学位论文 行修正和改进。但由于不能从根本上避免这些解析式赖以存在的不合理假设条件，因而 进展不大【刀。 s 丘【争嘎1 5 】建立了模拟厚板钨极氩弧焊和等离子弧堆焊的准稳态三维热场有限差分 计算模型。解决了热源分布，材料热物理性能的非线性和工件表面热损失等问题。他还 在1 9 8 2 年应用无因次参数对薄铝板的二维准稳态温度场问题用有限差分法进行计算。 所建立的计算模型考虑了如下问题： ( 1 ) 被焊试件材料热物理性能随温度变化 ( 2 ) 热源的大小和分布。 ( 3 ) 材料熔化潜热。通过工艺试验测出了熔化区宽度，与计算结果作了比较，认 为两者吻合程度良好。 存在的问题是： ( 1 ) 虽然模型本身考虑了材料熟物理性能与温度的关系，但是在计算时又认为铝 合金的热物性能参数随温度变化不大，取为常数进行计算。 ( 2 ) 未考虑工件表面的热损失。 ( 3 ) 在固液两相区域同时求解固态热传导方程，认为固液两相的比热值差别不大 而取同一值。上海交通大学陈划1 0 j 对- - 维非线性稳态及瞬态温度场进行了有限元分析 并在脉冲t i g 焊接温度场，局部干法水下焊接温度场等问题进行了成功的实例分析。 麻省理工学院的g m o r e p e r 1 1 1 研究了电弧固定时t i g 焊接熔池中的流体对流状 态。之所以选择电弧固定时的情况为研究对象，只是为了使问题简化。g m o r e p e r 考察了电弧固定时的情况，但却将熔池形状作为数值分析的前提条件，预先确定下来。 他利用实验数据整理出t i g 点焊时的熔宽w 和熔深d ，并认为熔池形状方程式为： z = d ( 1 - - - r w ) ( 1 1 ) 式中，r 是径向坐标，z 是轴向坐标。对于给定的一组焊接规范参数，他认为熔池形状是 确定的，因而在该模型中只涉及到熔池内部的流场和热场的求解过程。由于电弧是固定 的，考虑到轴对称的特点，熔池内的传热问题就是二维的。他将t i g 电弧固定时的情况 作为瞬态问题，随着电弧加热时间的延长，熔池体积逐步扩大，同时求解熔池内外的温 度分布，考虑了电磁力、表面张力梯度和自然对流的影响，并考虑了电弧作用在熔池表 面上的热流密度和电流密度大小对流体流动和传热过程的影响。他还分析了t i g 电弧固 定时加热和冷却两个过程中熔池内部的流体流动状态和传热过程。分析表明，流体对流 在确定熔池中的传热过程和温度分布起着重要的作用，对熔池形状和随后的焊缝结晶过 3 江苏大学硕士擘位论文 程也有着明显的影响。r t c c h o o 1 习在研究电弧与熔池的相互作用时，指出了焊接 熔池表面变形可能产生的几种重要影响： ( 1 ) 在变形水平较大时，焊接电弧本身可能受熔池形状的影响，并且由此热流和 电流可能非常明显地受到焊接熔池行为的限制。 ( 2 ) 电弧的等离子气流同熔池相互作用可能引起表面皱波、表面谐振或不稳定。 ( 3 ) 非常大的焊接熔池表面变形在凝固时可能产生大量的焊接缺陷，包括锁孔、 气泡陷阱等。 r t c c h o o 利用其建立的二维电弧稳态模型，研究了n g 焊电弧与熔池的相 互作用，计算了当焊接电流为3 0 0 a 时，熔池流场和温度场的分布( 如图l 一1 ) 。 ( a ) 流场 ( b ) 温度场 图1 1t i g 焊接熔池流场和温度场示意图 美国o a k r i d g e 5 1 国家实验室的t z a c h a r i a 等对熔池表面变形情况下的流体流动与 传热过程进行了一系列的研究，建立了运动电弧非自动化t i g 焊接熔池的流体流动及传 热过程的三维瞬态模型。模型中把熔池自由表面视为可变形表面，熔池表面的升高量作 为主要解变量，并以表面张力梯度、电磁力和浮力作为流体流动的主要驱动力，模拟了 焊道凸起、焊缝表面波纹和重力波等现象。算法中使用单元标子技术( m a r k e d - e l e m e n t t e c h n i q u e ) 来模拟液固界面的瞬态发展，模型采用有限差分法来求解，给出了t i g 焊三 维瞬态熔池流场与热场的分布图。 a m a t s u n a w a i l 习研究了固定电弧焊接熔池的对流及其对熔深形状的影响。认为影响 熔池流动的主要因素有：电磁力，浮力。表面张力和气动阻力。研究表明：当电弧长度 短的时候，熔池中由外表面剪应力引起的速度场由两个相反方向的流圈组成，并且在正 的表面张力温度系数的场合，表面张力是主要的，结果造成深的形状；当电弧长度长的 时候，气动阻力是主要的，结果导致了一个两边“深”而中间“浅”的熔透形状。p s 魏 “4 】建立了一个二维模型，用以描述电子束焊接过程中围绕着e bc a v i t y ( 电子束焊时在 4 江苏大学硕士学位论文 被焊材料上形成，由蒸汽压力作用所致) 的液体薄层内液态金属的流动状态。利用该模 型可以得出液体薄层内的逸动速度和温度值。他认为电子束焊时，焊缝的深宽比在5 1 0 之间，因此工件厚度方向上的传热可以忽略，从而简化为二维情况。该模型将表面张力 梯度作为主要的驱动力。m 戴维斯【1 4 】给出了描述激光焊过程中小孔外部液体区内流体对 流传热的二维模型。该模型将材料热物理性能参数取为常数，并且不考虑试件厚度方向 的流体运动情况以及传热过程。熔池表面温度在热源与金属相互作用下远高于内部液态 金属温度，尤其对于激光焊和电子束焊，熔池表面温度甚至超过沸点，引起合金元素蒸 发加剧。d e b r o y 0 4 1 等人建立了焊缝金属元素蒸发和成分改变的一个综合模型。他们考虑 熔池流动和热传输过程与熔池表面上方不同位置蒸汽的速度分布函数，就可以计算出各 种合金元素的蒸发速率 德国a a c h e n 大学i s f 焊接研究所的u d i l t h e y t l 6 肄人对薄板g m a w 焊接熔池进行 了计算机模拟，分析了电磁、热力学和流体动力学对g m a w 过程的影响。该模拟程序 可计算焊缝形状和各点的热循环并可给出三维的图形显示。在数值模拟的基础上提出了 所谓“逆运算”，即根据焊缝的形状来确定焊接参数。计算过程中考虑到实际的焊接边界 条件，共采用2 5 个参数。该模型可以对焊接参数偏差时的焊接质量进行统计预测，并 有自动寻找出最佳焊接参数的功能。计算结果则由欧洲标准e n 2 5 8 1 7 进行评价。 在国内哈尔滨工业大学的武传松等，在该领域内也做了不少工作【1 7 - 2 2 1 。他首先是建 立了一个描述电弧固定时t i g 焊接熔泡内部流体流动状态及传热过程的数学模型。该二 维模型采用“流函数涡度法”，能够给出任一时刻固定t i g 熔池内外的温度分布和熔池 中的流线图。随后建立了运动电弧作用下三维t i g 焊接熔池中的流体流动及传热过程的 数值分析模型。该三维模型同时考虑了熔池内部液态金属的对流一传导和熔池外部热影 响区、母材中的固体导热，综合考虑了使熔池中液态金属发生运动的主要原因：即由于 熔池温度分布不均而产生的自然对流，由于焊接电流通过斑点进入熔池后在熔池中造成 电流场的发散从而产生的电磁力，由于熔池表面温度分布不均匀所引起的表面张力梯 度。该模型还考虑了材料热物理性能随温度的变化以及焊件表面通过对流与辐射向周围 的热损失。焊接电弧作为热源向工件输入的热流按高斯函数分布热源处理武传松建立 了m i g 焊接熔池流体流动及传热模型，但该模型没有考虑电弧压力和熔滴冲击力对熔 池表面的作用，忽略了熔池的表面变形。曹振宁等建立了熔化极氩弧焊接熔池中的流体 流动和传热过程的数值分析模型。该模型不仅考虑了过热熔滴的热量，而且考虑了熔滴 的冲击力及熔池表面的变形。模型根据电弧压力、熔滴冲击力、熔池自身重力与表面张 江苏大学硕士学位论文 力之问的动态平衡，确定m i g 焊接熔池的表面形状采用非正交贴体曲线坐标系与直 角坐标系及非均匀网格相结合的办法，对熔池中的流场与热场进行了分析，并且模拟了 m i g 焊接的指状熔深。 e p a r d ot 2 3 】采用有限元法建立了i v l i g 焊接三维稳态热传导模型，计算了m i g 焊 接熔池的几何形状和焊缝余高。模型考虑了液圃界面熔化潜热的释放，但没有考虑熔池 表面的变形，而是把熔池作为平面处理，电弧热流采用高斯分布模式，并认为熔滴带入 熔池的热量也符合高斯分布，同电弧的热流密度一起考虑，建立了熔池表面接受的热能 是： 稚咖舒d 一乏 z ， 式中厶是电弧带入熔滴的净能量分数，7 为电弧效率，i 、v 分别为焊接电流、电弧电 压，吒。为电弧热流密度分布参数，r 为径向半径。 p t e k r i w a l l 2 4 1 等也采用有限元方法建立了m i g 焊接传热模型，热流密度采用高斯 分布模式，并考虑了以下几个问题：( 1 ) 焊丝的连续熔化消耗了一部分电弧热；( 2 ) 一部 分热量在到达熔池之前，己损失在环境中；( 3 ) 在热传导过程中，热以对流和辐射方式从 表面损失；( 4 ) 保护气体的流动使表面部分的热对流损失增加。为了适应m i g 焊接熔滴 过渡的需要，采用了连续运动的有限元网格。p t e k r i w a l 发现，利用有限元分析可以 用在每一个对间步距上增加网格来模拟m i g 焊接的熔滴过渡，即在步距上加入温度为 2 3 0 0 k 的熔滴，模拟熔滴带入熔池的热量，这些单元的形状、温度事先确定。但没有考 虑焊缝的余高和熔池的表面变形。鄂立国瞄1 对焊接熔滴与熔池相互作用动态过程进行了 数值模拟研究。该模型将熔滴冲击熔池的数值模拟转化为具有自由表面且具有一定粘度 的不可压缩流体的流体力学问题。为了解决上述问题，采用了求解具有自由表面和一定 粘度的不可压缩流体的瞬态流动的数值计算方法：单元一标子方法( m a c 法) 。考察了运 动熔滴的各种参数对熔池行为的影响。 上述研究尚停留在固态和液态问题。近来，日本东京工业大学的t y a b e l 2 6 1 首次成 功地进行了从固体到蒸汽的动力学相变的模拟。该模型采用了c i p 法可以同时处理固 体、液体和气体，并可跟踪十分敏感的界面。对于如焊接、切割过程须要同时处理结构 的拓扑和相的转变问题。在上述过程凝固、凝结、熔化和蒸发时，处在固态或液态表面 一行的栅格显得没有意义，当采用差分、有限元、边界元等方法求解时，有时会发生网 格畸变甚至断开的现象，而采用c m 法可以避免该问题的发生，它可以同时处理可压缩 江苏大学硕士学位论文 和不可压缩流体来模拟气体和液体或气体和固体的相互作用。采用该法对激光切割过程 中的蒸发、火口形状与尺寸、碎片分布等进行了模拟，与实验结果相当吻合。 1 2 2 当前数值模拟存在的一些问题 ( 一) 热源分布参数的确定 电弧的有效加热半径及热量分布形式与焊接方法和参数有关，目前尚缺乏系统而准 确的资料。电弧热流通常采用高斯分布的形式，a g o l d a k 2 刁贝i 提出了一个双椭圆的 模型。此外，对于角焊缝、坡口焊缝、多层焊缝等的热源分布形式也须进一步研究。 ( 二) 焊接熔池中液态金属运动的处理 熔池中液态金属的运动形式是层流还是紊流，以及焊接方法、工艺规范、电极直径 及其相对于水平面的夹角，焊接材料的成分及被焊件的化学成分等对熔池中流体运动方 向和速度的影响规律，目前还未完全弄清楚。 ( 三) 电弧功率有效利用系数的选取 电弧功率有效利用系数的正确选取是提高焊接热过程计算精度的问题之一。不同的 文献资料给出的值差别很大，因此必须根据实际焊接情况慎重选择。 ( 四) 材料的热物理性能 材料的热物理性能数据不足。许多材料的热物理性能( 比热容、热导率、密度等) 数 据在高温特别在接近熔化态时还是空白，某些材料仅有室温数据，这就给非线性计算带 来困难。 1 3 有限元法和a n s y s 的概述及其应用 1 3 1 有限元概述 1 9 6 0 年，美国克拉夫首先提出了“有限元法，这个名称，为把连续体力学问题化作离 散的力学模型开拓了广阔的途径。有限元法的物理实质是；把一个连续体近似地用有限 个在节点处相连接的单元组成的组合体来代替，从而把连续体的分析转化为单元分析加 上对这些单元组合的分析问题。有限元法和计算机的结合，产生了巨大的威力，应用范 围很快从简单的杆、板结构推广到复杂的空闻组合结构，使过去不可能进行的一些大型 复杂结构的静力分析变成了常规的计算，固体力学中的动力问题和各种非线性问题也有 了各种相应的解决途径。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限 个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的连接方式组合、 7 江苏大学硕士擘位论文 且单元本身又可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域有限单元法作 为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片的表 示全求解域上待求的未知函数。单元内的近似函数通常由未知场函数及其导数在单元的 各个节点的数值和其插值函数来表示。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函 数及其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量( 也就是自由度) ，从而使一个连续 的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一旦求解出这些未知量，就可以通过插 值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着 单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的 提高，解的近似程度将不断改进。但有限元计雾量增加，将对计算机设备的性能、c p d 的处理和计算能力提出更高的要求。如果单元是满足收敛要求的，近似解则将收敛于精 确解。有限元法是求解复杂工程问题的一种近似解法。用有限元进行分析时，首先将被 分析物体离散成许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再求解线性或非线 性方程组，得到位移、应力、应变等结果， 果。有限元法现已广泛应用到力学、热学、 体的线性和非线性静、动态等性能。 最后在计算机上，使用图形技术显示计算结 电磁学等各个学科，主要分析工作环境下物 5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元的概念出现，由于当时理论尚处于初级阶段，计 算机的硬件及软件业处于初期发展的较低水平，有限元和有限元程序无法在工程上普 及。但到6 0 年代末、7 0 年代初出现了大型通用有限元程序，它们以功能强、用户使用 方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工 具。目前，有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着 重要作用。目前，在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元分析软件有m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b s q u s 、m a r c 、a d i n a 和a l g o r 等。 有限元方法之所以能获得如此迅速的发展和广泛的应用，是因为它具有独特的优越 性。以往常用的差分方法，其不足之处在于采用的是直交网格，较难适应区域形状的任 意性，而且区分不出场函数在区域中轻重缓急之差异，此外它还有编制通用程序的困难。 然而，有限元方法可以用任意形状的网格来分割区域，还可以根据场函数的需要疏密地、 自如地布置节点，因而对区域的形状有较大的适应性。另外，有限元方法在使用上更大 的优越性还在于它与大容量的电子计算机相结合，可以编制通用的计算程序。这代表着 数值计算方法的进步，同时也促进了计算机科学的发展。 局部和整体，瞬时和全过程，无非是以两种不同的角度来描述自然现象。一个过程， 8 江苏大学硕士学位论文 既可以被微分方程所描述，又服从相应的变分原理，方法虽然不同，但却从两个不同的 侧面反映同一自然规律。有限元方法摒弃了刻画自然规律中局部的、瞬时的数学描述， 而以大范围的、全过程的数学分析作为自己的出发点。 1 3 2 有限元软件在焊接过程分析中的应用和发展 随着焊接温度场、流场、应力场和变形的深入研究，有限元技术的发展和应用，以 及近年来由于计算机技术的突飞猛进，目前在进行有限元分析时所使用的软件有了不少 优秀的分析软件，如：m s c n a s t r a n 、a n s y s ，a b s q u s 、m a r e 、a d i n a 和a l g o r 等可供 焊接工作者选用。因此，焊接工作者已经无需自己从头编制分析软件，可以利用上述商 品化软件，必要时加上二次开发，即可以得到需要的结果，这就明显加速了焊接模拟技 术发展的进程。在国内中科院的颜抬霞等利用a n s y s 对球壳焊接瞬态温度场、应力场 进行了模拟取得了较好的效果。清华大学的鹿安理跚等利用m a r c 有限元软件开发专 用用户子程序，使网格自适应技术更趋完善，并用于厚板焊接过程的三维数值模拟，取 得了很好的效果。 1 3 3a n s y s 概述 a n s y s 是世界上颇有影响的大型通用有限元分析软件。它以高的性能价格比和较 好的解题深广度，广泛用于航空航天、汽车、造船、机械制造、铁道、电子、一般工业 及科学研究的各个领域，极强的分析功能覆盖了许多工程问题。进入我国不长时间以来， 每年以2 0 的增长率进入高等院校和科研单位。由于其适用面广，使用方便，既可以用 于个人计算机，又可以用于大中型机和巨型机，支持多个操作系统和众多的图形设备， 特别是前后处理简单方便，中间计算分析快捷，深受使用者欢迎。除能进行常规的计算 外，还能对非线性、断裂、屈曲、温度场、电场及结构耦合等问题进行计算分析。 a n s y s 软件具有多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各种各样的耦合计 算，如热一结构耦合，磁一结构耦合，流体一结构耦合等，可以进行结构的静力分析、 动力分析、结构的高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学分析、设计优化、弹性 接触分析等等。实体建模采用基于n u r b s 的三维实体描述法、几何体素以及布尔运算 a n s y s 设计数据访问模块( d d a ) 能够使用户由c a d 建立的模型转换并传送到a n s y s 软件中，避免了不必要的重复建模工作。 a n s y s 软件提供了多种迭代求解器，如有稳定可靠的f r o n t as o l v e r 波前求解器： 预条件共轭梯度( p c g ) 求解器，该求解器是一个高效、高精度的求解器：j a c o b i 共轭 9 江苏大学硕士学位论文 梯度( j c g ) 求解器，c h o l e s k y 共轭梯度( i c c g ) 求解器等。针对不同问题，用户可以 进行选择，从而最大限度的提高计算效率及准确性a n s y s 具有强大的前、后处理程 序。软件使用统一的集中式数据库来存储所有的模型数据及求解结果。模型数据通过前 后处理器写入数据库，载荷和求解结果通过求解器写入数据库，后处理结果通过后处理 器写入数据库中。数据一旦通过某一处理器写入数据库，即可为其它处理器所用。 1 3 4 有限元法目前研究的焦点和方向 1 ) 单元技术的开发 单元技术一直是有限元技术的核心问题。通过开发合适的单元技术是提高有限元计 算效率的主要方法。新单元的开发一般均针对结构的特点而确定，而焊接问题的复杂性 表现在其工艺过程的特点上，因此适用于焊接过程的数值模拟分析的单元应该针对焊接 工艺过程而开发。焊接过程的特点是快速的局部加热和冷却及其导致区域应力应变的急 剧变化，对焊接过程的数值模拟分析而言，焊缝附近的单元并非在焊接全过程中都经历 着复杂的温度和应力变化，两只是在很短的时问范围内经历了这种变化，因此可以根据 这个特点，开发新型单元，充分体现单元在大部分时间内求解量保持相对稳定的特点， 简化计算过程，实现提高计算效率的目的。国外一些研究机构在大型商用软件a b a q u s 的基础上，开发了适用于焊接过程的单元技术，使单元尺寸大幅度增加的同时，仍能够 反应焊接过程中的高梯度温度和应力变化，大大的缩短了计算时间，但其技术细节及准 确性等迄今尚无报道。 2 ) 网格划分技术 焊接时所用的热源大多是移动热源。在热源移动时，整个焊件的温度、应力应变随 时间和空间急剧变化，并且同时存在着加热和冷却、加载和卸载等现象。在不同时刻和 位置，温度和应力应变的分布极为不均，若采用均匀网格，势必引起计算时间的增长或 存储空问的浪费。一般的处理方法是：在焊缝及其附近的位置用加密的网格，这样考虑 到焊缝处温度梯度变化较大等因素，能够在保持精度的同时减少网格的数量。因为只有 在热源附近才有较大的温度梯度，所以在移动热源的情况下，离热源较远的其他部位， 即使也处于焊缝及其周围的区域，也没有很大的温度梯度。在这种情况下，如果还采用 较密的网格，就会导致大量密网格的同时出现，造成存储空间的浪费，大幅度提高运算 成本。因此，较理想的方法是，随着热源的移动，加密网格也随着移动，这称之为动态 可逆自适应网格技术。它允许根据自适应误差准则自动细化网格，在误差减小到一定程 1 0 江苏大学硕士学位论文。 度后，自动回到细化前的较稀疏的网格状态这种技术可有效地处理有移动边界的场问 题，在焊接分析时，可使运动的焊枪前沿和熔池等部位始终保持细密的网格，而焊后逐 渐冷却的时候可恢复稀疏网格，但是焊接过程是一个热力耦合的过程，在热弹性分析过 程中，既需要计算温度场，又需要计算应力应变场，这就涉及如何决定误差判定准则的 问题。因为在计算温度场时需要加密网格的地方，不一定就是应力应变场也需要加密网 格的地方。在计算的过程中如何兼顾二者，或者分别采用不同的判定准则，目前还处于 研究阶段。 3 ) 并行计算和分布式并行处理 并行计算技术是目前有限元分析中缩短计算时间的主要手段之一。目前，由于研制 新型芯片所需的费用越来越庞大，提高计算机性能的主要方向即为采用并行技术。但由 于并行程序编制的复杂性及其与硬件的相关性，目前这方面的进展一直较慢 1 4 人工神经网络概述及其应用 人工神经网络是一种模拟生物神经系统的计算机系统，它由若干神经元和它们之间 的相互连接形成一个网络拓扑。为描述神经网络的工作已经提出了几十种数学模型。b p 网络( e r r o rb a c k - p r o p a g a t i o nn e o 是一种应用最为广泛的网络模型。b p 网络的基本原理如 图1 - 2 所示。图中空心圆表示神经元( 或称结点) ，它们之间的连线就是神经元之间的连 接。b p 网络包括一个输入层、一个输出层和一个或几个隐层。任何一个人工神经网络 要实现其功能必须先进行训练。所谓训练就是神经网络的学习过程。对于b p 网络需要 有若干训练学习的样本。这些样本中的输入值和输出值应是已知的。人工神经网络就是 要建立输入值和输出值之间可能存在着的某种复杂的非线性关系。神经网络的训练学习 过程就是通过在网络中各层的计算中用加权的方法不断调整计算输出的结果。最初设置 的权值可能使计算结果相对于已知的，即期望的、输出值偏离较大，有较大的误差e 。 当按照一定规则多次调整网络中的各个权值，也就是经过多次训练后，最终能使计算输 出值和期望值之间的误差e 达到所设定的容限值，这时训练学习过程便可结束，于是建 立起来的输入值和输出值之间的关系模型就可确定下来利用这一关系模型可以对一组 己知输入值计算出未知的输出值，就好像人类经过学习后具有举一反三的能力样。由 图可知，b p 网络是一种误差反传网络。b p 网络在算法上近年来得到了许多改进，可 以提高训练速度，避免陷入局部最小，甚至是改变权值后计算不能收敛的情况。 江苏大学硕士学位论文 图1 - - 2b p 神经网络示意图 神经网络也可看作是另一种专家系统。在传统的专家系统中，知识库中的知识通常 是以显式的规则表示，而在神经网络中，知识并不逐一以规则表示，而是将相关的知识 以数学模型的形式用隐式表现出来。神经网络弥补了传统专家系统中知识获取困难，知 识领域窄等不足，因而在不少方面得到了成功的应用。 英国焊接研究所和不少单位都在焊接工程中引入神经网络技术方面开展过研究工 作【2 9 】。文献t 3 0 l 报道了美国n a t e c h n o l o g i e s 公司为美国海军和福特汽车公司提供了将神 经网络用于焊接工程的技术支持。针对不同的生产条件n a t 公司开发了相应的神经网 络软件包解决生产中的问题。例如，为福特汽车公司开发的神经网络系统，可以模拟钎 焊搭接接头的生产效果。神经网络的输入参数为保护气体成分、填充金属种类、脉冲电 流频率、钎焊速度、焊接电压及钎焊送丝速度等。通过输入变更相应的参数后，可在电 脑屏幕上看到钎焊表面高度的变化。通过神经网络调整各种参数，保证钎焊接头质量， 而无需经过许多不必要的、费钱费时的试验。当然，在建立神经网络模型时，作为训练 样本的试验是必不可少的。这一方法在福特汽车公司还被应用到激光焊和铝合金的焊接 中。这些工作先后在1 9 9 5 年和1 9 9 6 年获得福特汽车公司的技术成就奖。 在国内，清华大学、华南理工大学等单位也曾研究过在焊接过程中应用神经网络的 技术。清华大学彭金宁1 3 1 1 等人曾利用b p 网络，根据9 0 0 余份焊接工艺评定报告，针对 不同母材种类、母材厚度、焊接位置等建立了手工电弧焊和埋弧焊的焊接电流、电压、 线能量等参数的6 种焊接规范设计网络。华南理工大学黄石生【3 2 l 等人以g t a w 方法焊 江苏大学硕士学位论文 接厚度为2 m m 的低碳钢为对象，在特定的钨极直径和气体