整体T型管焊接焊机模拟及焊接优化分析

第一章 绪 论

1.1 引言
最近几十年，各种新型材料已经新型加工方法在各种新型加工技术的配合下不断涌，例如，虚拟工程就是一个在此环境中应运而生的新领域，且以惊人的速度推动现代工业向前发展。在重工业的发展领域中，虚拟工程起着举足轻重的作用。先进制造技术如CIMS（计算机集成制造系统，即通过网络方式将制造过程 CAD、CAE、CAPP、CAM、CAT 等各种计算机辅助软件技术集成在一起）、并行工程计算、灵捷制造等计算机辅助工艺在工业产品的概念设想、模型设计、结构优化、产品性能分析等重要步骤起很大作用[1]，可以缩短产品从概念设计到实际生产之间的时间，简化生产工序，缩短制造工艺调试周期，从而节省试验费用等。本文主要从焊接工艺方面，进一步讨论虚拟工程中的有限元仿真模拟焊接在 T 型管焊接过程中的具体应用。在目前的高度发展的工业生产中，焊接技术已经成为一门独立的学科，其广泛应用于石油天然气管道、电力、航空航天、桥梁工程、船舶以及各种金属材料加工行业等部门。微观角度的焊接的主要原理是通过热源加热或者施加压力，使焊件金属材质达到原子结合并且形成一体，达到永久连接的一种加工工艺方法。与其他的加工工艺相比，焊接生成的结构比较减少焊件金属原材料，原材料利用率高，生产工序简单，生产制造周期较短，容易完成一些结构较复杂的结构的连接，因此，焊接在工业的发展中占有的比例越来越大[2~6]。
虽然焊接工艺操作过程比较简单，但是具体焊接过程涉及到热力学、电弧物理学、传热学、金属熔化凝固、金属冶金相变、残余热应力以及冷却变形等内容。以焊接过程产生的焊接残余热应力以及因此而产生的焊件形状改变为例，残余热应力与变形不仅会影响复杂焊件的后期加工工艺的精度与尺寸，而且也会影响焊件结构的使用寿命、工程使用性能。综上所述所有各种因素，必须在概念设计阶段充分考虑到所有各种不利因素的产生机理、掌握其产生的规律性，在设计概念阶段就采取与之相对应的补救措施对结构、方案等方面进行多次模拟分析与评价，同时针对焊接工艺参数进行软件分析，评价，最终得到一套经济而有效的最优焊件焊接方案。如果通过在工厂或在实验室里通过大量焊接确定一套最优焊接方案，不仅浪费人力、财力、时间，而且，具有很大的盲目性，试验方向性不明确，方案的准确性也就相对较差。在此种环境下，虚拟模拟仿真工程便发挥出了其方便、高效、高准确性等优点。首先利用专业焊接仿真软件对焊接工艺在理论上进行尽可能准确的数值仿真模拟，大量的数值计算之后，确定出一套最优方案，再通过较少的具体试验验证此种方案实用性与适用性。使用计算机有限元仿真模拟焊接，对焊件结构的可靠性以及使用价值都有很大的提高，也为焊接工艺的提供了有力的理论依据。
目前，虚拟工程使用的有限元仿真焊接模拟软件有 Ansys，Abaqus，Sysweld，Visual-environment，Altair-Hyper Works 等等，其中，本次 T 型管焊接的虚拟模拟工程选用法国 ESI 公司开发的专业焊接软件 Sysweld 作为单 T 型管焊接求解器；整体 T 型管求解器选用本公司的 Welding Simulation Suite 作为求解器，对 T 型管整体焊接顺序优化，通过对 T 型管整体变形定量分析，确定一套最优焊接顺序方案；T 型管建模选用德国西门子公司的 UGS 软件；划分网格等前处理工作选用美国 Altair 公司 Altair-Hyper Works 与 ESI 公司的Visual-environment 软件相互配合交叉使用。利用有限元仿真模拟焊接进一步使整个制造过程在计算机上得到预演和实现，在足不出户的情况下将焊件的各种温度、热应力、残余热应力以及热变形等相关方面进行分析，预测焊接重要部件的机械、力学等性能是否符合实际应用标准，从而进行相应优化，达到最优焊接效果。要实现焊接有限元的虚拟仿真是十分复杂的，其本身就是一项庞大的工程。它包括热源、过程控制、焊接冶金、应力变形等各个环节。本文仅从焊接力学模拟这一个侧面介绍近年来国内外的一些发展情况以及多年来我们在这一领域所做的工作[1]。
残余应力直接影响焊件的使用寿命，而焊接过程产生的焊接温度是影响焊件金属材料组织和机械性能的主要原因；在冷却过程中，焊接相变的对焊件体积的形变有重要影响，模拟焊件在冷却过程中相变与温度的关系对研究焊接冷却过程的热变形有重要意义，从而直接影响着焊件在冷却过程的结构的优化。在此种情况下，一些来自国外的在温度、应力场、金相模拟分析的有限元模拟仿真软件显现出强大的优势，焊接工艺在这些有限元仿真软件的推动下能够更好的发展。

1.2 课题背景和来源
焊接是一种在模型的局部地方运用加热、加压、添加填充材料将不同构件永久、不可拆分的连接在一起或在基材表面堆敷覆盖层的一种加工工艺[7]，广泛应用于各行各业之中。但是，随着近几年的工业的快速的发展，人们对焊接有了更深一步的研究，焊接热力学，焊接残余热应力，焊接热变形，焊接金属相变等等都成了人们对焊接的研究的对象。自从计算机的出现，计算机模拟仿真对焊接的横向与纵向都很大的推动作用。同时，焊接这一加工工艺的深度与广度自身也相互推动发展：广度的发展引领者深度不断增加，深度也促进广度研究的拓宽。下面重点介绍一下焊接力学。人们对焊接力学的研究包括很多方面：焊接传热、焊接变形、残余应力、焊接裂纹以及焊接接头的力学行为等。特别是近年来随着航天事业的蓬勃发展、高新技术以及自动控制与机器人的应用，因此对焊接产品的精度要求越来越高，尽管现在大规模并行计算服务器的出现，让人们能够达到很大规模的模拟仿真计算，并且能有达到较高的计算精度，但是，在焊接这种高度非线性的计算过程中，焊接变形和残余应力的变化规律以及多条焊缝的焊接顺序至今往往还是认识不足和难以掌握。焊接变形以及多焊缝的最优焊接顺序成为难以预测和控制的因素。多年来国内外学者和专家在焊接力学领域进行了大量的研究[8]。

第二章 单组 T 型管道焊接以及焊接结构优化 .......................14-45
    2.1 前言 .......................14-16
    2.2 数学模型的建立及理论 .......................16-17
    2.3 建模与网格划分以及组的形成 .......................17-22 
    2.4 热源校核 .......................22-34
    2.5 Sysweld 模拟计算结果与分析 .......................34-45
第三章 整体 T 型管焊接焊机模拟及焊接优化 .......................45-60
    3.1 多 T 型管焊件整体焊接模拟过程 .......................45-46
    3.2 UG、HyperMesh、VisualMesh 前处理 .......................46-51
    3.3 求解器求解计算 .......................51-59
    3.4 本章小结 .......................59-60
第四章 多竖管 T 型管件整体焊接顺序优化 .......................60-62
    4.1 多竖管 T 型管模型焊接顺序设计 .......................60
    4.2 多竖管 T 型管焊接顺序优化 .......................60-62

结论

本论文从三维建模开始，通过划分网格、边界条件、焊接过程设置等前处理软件的操作，分别对单 T 型管的有限元仿真焊接模拟，深入研究了焊接、冷却过程中的焊件的不同部位的温度与热应力、热变形的关系，确定出了他们之间的相互关系，从而为整体 T 型管的焊缝的焊接顺序的研究提供了理论依据。在整体 T 型管的焊缝的焊接顺序的研究上，本文使用 ES I 公司的有限元仿真软件 Welding Simulation Suite 的 Weld-planner 模块进行整体焊缝的优化，从而确定出一套符合本论文模型条件的最佳焊接顺序。本论文的确定最优焊缝的方法也适合于其他 T 型管的焊接顺序的确定。通过本论文的所包括的工作量，可以得出以下结论：
（1） 建模过程中，要根据求解器对模型的要求去确定是否保留焊缝，单T 型管的有限元模拟仿真使用的软件 Sysweld 则要求建模必须保留焊缝；整体 T 型管焊缝顺序的优化则不需要模型保留焊缝。
（2） 划分网格时，无论 1D 还是 3D 网格的划分，都需要在相贯焊缝处进行切割，经过分析，本论文得出：根据焊缝的空间形状进行切割的网格的质量比较高。
（3） 在使用有限元软件 Sysweld 进行仿真模拟过程中，可以协调热源的形状、参数、温度等因素，进行更加准确、快速的仿真模拟。
（4） 利用有限元软件 Weld-planner 的分析方法，适合于其他的多竖管 T型管件的焊缝顺序的优化。

参考文献

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[2].魏天东.T 型构件焊接固有应变的研究及应用 [D]. 燕山大学 硕士学位论文
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[4].自升式平台桩腿裂纹补焊工艺和平台用高强度钢多次补焊的判废标准/科研项目建议[R].机械部郑州机械研究所，中国科学院力学研究所，1995.
[5].李东霞，贾宝春，刘跃进.高强钢 TIG 熔修焊裂纹的低温力学性能研究[J].郑州纺织工学报，2001.3.
[6].张文钺，焊接冶金学[M]. 第一版，北京：机械工业出版社，1999：1-15.
[7].拉达尹著，熊第京等译，焊接热效应温度场、残余应力、变形[M].北京：机械工业出版社。1997
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[9]. D.C.S. Wiesner, A Summary of Recent TWI Work Relating to the Structural Integrityof Welded Structures, New-Wave of Welding and Joining Research for the 21st Century,Proc. Of the First Osaka University and TWI Joint Seminar, March 2001, OsakaJapan:167-194
[10]. 汪建华等，三维瞬态焊接温度场的有限元模拟，上海交通大学学报，1996,30(3):120-125