熔化焊热—力智能数值模拟方法研究

摘要

熔化焊热-力有限元分析在焊接结构设计、焊接变形和应力预测中获得极其广泛的应用。随着企业计算机的普及和软硬件环境的改善,焊接结构有限元计算需求正日益加大。然而,焊接结构有限元的建模需要弹塑性理论、有限元、焊接结构等多方面知识,其难度大,普通焊接工程师自行计算时将面临诸多困难,因此迫切需要一种简单易操作的模拟软件系统。本文基于熔化焊热-力有限元计算的专家知识和经验,对材料参数设置、六面体网格自动划分、焊接热源校核以及复杂曲线路径动态热源程序生成等智能方法加以系统研究,并合理运用这些方法,从而实现了专家级焊接热-力有限元的模拟。
　　为了开发面向多种焊接结构的智能模拟系统,解决不同结构的智能程序不同的问题,本文首先通过对基因控制生物生长原理的类推,提出了控制组元算法,并将其运用于控制组元组装结构的智能模拟过程中。同时,为自主生成基于 MARC接口智能模拟所需的接口程序,本文还针对自动调用MARC系统接口技术方案进行了研究,并衍生出了生成可变模型接口程序的高阶程序方法,从而真正实现了智能模拟过程所需程序的自动生成。
　　焊接过程温度范围较大,在其温度区间内,由于材料温度变化以及组织转变,材料性能发生明显变化,且变化复杂。因此,为实现焊接温度区间材料参数设置,本文基于焊接过程材料属性特征、热弹塑性理论及专家经验,提出了温度分区的材料设置方法。并通过数值计算及理论分析的方法,研究了金属液态温区的高温热传导系数、比热及热膨胀系数的设置方法。基于温度分区方法以及材料知识库的,设计了整个焊接温度区间材料参数的智能设置算法,实现了专家级材料模型的建立。
　　热源建模是非常复杂过程,需依据热源模型原理选取合适的热源模型并输入匹配的热源模型参数,才能获得准确的热源能量分布。为建立准确的焊接热源载荷,本文依据专家系统原理,设计了集成有限元的热源校核专家系统。首先,基于专家知识经验以及对热源模型特性的分析,建立了热源模型选择知识规则,实现了热源模型的专家选择。其次,为了获取匹配的热源模型参数,设计了热源模型参数推理专家模块的数据库、推理知识规则及推理引擎算法,成功推理了热源模型参数,实现了智能化焊接热源校核。
　　针对六面体网格划分问题,本文采用控制组元算法研究出一种新型全六面体网格自动划分方法,并设计了面向多种形状的控制组元形状、拼装规则和控制信息,实现了组元拼装结构的六面体网格自动划分。划分过程中,通过识别组元的拼装关系,传递了组元的网格划分信息,保证了六面体网格的连续性。同时,为了降低组元拼装的复杂性,采用组元组组装方法,通过省略冗余组元定形线简化了拼装过程。焊接结构有限元计算过程中,为提高效率,往往在焊缝附近采用密网格,远离焊缝区采用粗网格,针对这一问题,本文提供了过渡网格组元,实现了符合焊接结构特征的过渡六面体网格智能划分。控制组元法网格划分速度快,网格质量较好。
　　设计复杂结构曲线焊接路径的动态焊接热源程序是非常繁琐的工作,针对这一问题,本文研究了曲线路径动态热源程序的自动生成。为建立多种焊接路径的热源程序,采用局部焊接坐标系法设计动态热源高阶程序。利用这种方法,其关键是获取曲线路径的焊接路径信息,进而确定焊枪的位姿。因此,本文研究了适于结构特征的随动焊接位姿的定义方法,并采用参考点法和辅助圆捕捉法获取随动热源的焊接路径信息,从而实现了复杂空间曲线随动焊接热源自动加载。
　　基于以上研究,本文设计并开发了用户化焊接热-力模拟系统。该系统能够提供参数造型,过渡六面体网格自动划分,专家级材料参数设置,并且具有焊接热-力初始条及边界条件加载和适于焊接的后处理等功能。用户在使用该系统时,仅需简单的参数输入操作即可实现焊接热-力模拟过程。

目录

熔化焊热-力智能数值模拟方法研究

RESEARCH ON METHODS FOR INTELLIGENTTHERMAL-MECHANICAL NUMERICALSIMULATION OF FUSION WELDING

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 熔化焊热-力有限元计算的研究现状

1.2.1 材料模型研究现状

1.2.2 焊接热源研究现状

1.3 全六面体网格自动化分研究现状

1.3.1 网格堆积法

1.3.2 自动识别分解法

1.3.3 波前法

1.4 智能有限元建模研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 智能模拟系统方法研究

2.1 引言

2.2 焊接模拟智能化功能框架设计

2.3 控制组元算法

2.3.1 智能化模拟的问题

2.3.2 控制组元算法模型

2.3.3 控制组元算法的功能

2.4 基于接口的焊接模拟系统

2.4.1 模拟系统接口技术研究

2.4.2 高阶程序方法

2.4.3 动态焊接热源程序生成

2.4.4 力学边界条件程序生成

2.4.5 后处理显示程序生成

2.5 焊接模拟系统的控制组元算法设计

2.5.1 模拟控制组元

2.5.2 模拟程序序列

2.5 本章小结

第3章 材料参数智能设置方法

3.1 引言

3.2 基于知识的材料属性温度分区

3.3 热传导系数分区设置

3.3.1模型建立

3.3.2 不锈钢TL区间热传导系数影响

3.3.3 铝合金TL区间热传导系数影响

3.4 比热分区设置

3.4.1 不锈钢模拟结果

3.4.2 铝合金模拟结果

3.5 弹性模量分区设置

3.6 屈服强度分区设置

3.7 热膨胀系数分区设置

3.7.1 外插方式

3.7.2 热膨胀补偿法

3.7.3 热膨胀补偿法验证

3.8材料参数分区推理算法

3.8.1算法流程

3.8.2自动设置实例

3.9 本章小结

第4章 焊接热源校核专家系统

4.1 引言

4.2 系统总体框架

4.2.1 系统主要功能

4.2.2 系统总体流程

4.3 热源模型选择专家知识规则

4.3.1 高斯面热源模型

4.3.2 双椭球热源模型

4.3.3 高能束焊热源模型

4.4 热源模型参数推理和调整专家模块

4.4.1 热源模型参数推理流程

4.4.2 参数推理试验数据库

4.4.3 参数推理知识规则

4.4.5 参数推理引擎

4.4.6 推理实例

4.5 校核构件焊接热过程自动模拟

4.7 本章小结

第5章 全六面体网格自动划分

5.1 引言

5.2 网格划分控制组元的设计

5.2.1 组元形状设计

5.2.2 拼装规则

5.2.3 组元控制信息

5.2.4 组装顺序讨论

5.3 网格自动划分算法流程

5.4六面体网格自动划分探讨

5.4.1 控制组元组法

5.4.2 过渡网格控制组元

5.5 网格划分实例

5.6 本章小结

第6章 曲线路径随动焊接热源建模研究

6.1 引言

6.2 动态焊接热源程序设计

6.2.1 焊接热源载荷

6.2.2 局部焊接坐标系法

6.3 曲线路径焊接路径信息获取

6.3.1 参考点法

6.3.2 辅助圆捕捉法

6.4 动态焊接热源实例

6.5 本章小结

第7章 用户化熔化焊热-力模拟系统

7.1 引言

7.2 系统设计开发

7.2.1 造型及网格划分模块

7.2.2 材料添加模块

7.2.3 动态热源模块

7.2.4 力学边界加载模块

7.2.5 后处理模块

7.3 平板结构计算及验证

7.3.1 平板结构模型建立

7.3.2 模拟结果与试验结果对比

7.4 飞机壁板构件计算

7.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

致 谢

个人简历