焊接过程有限元计算结果后处理技术研究

摘要

随着焊接技术的不断进步与航空航天制造业的不断发展，焊接新材料、新结构与新工艺不断涌现，随之产生的焊接质量问题也日趋复杂。有限元技术模拟仿真焊接过程为焊接温度和应力应变预测及工艺优化提供了一种低成本、高效率的解决方式。目前，焊接模拟计算所涉及的构件越来越复杂，计算后的数据文件离散繁杂，对此类文件进行后处理分析就成为了目前一项急待完成的研究工作。本文针对课题组自主开发的焊接热过程计算软件WeldTPS(Welding Thermal Phase Simulation)和某商业有限元软件，进行了系统地后处理分析技术研究。
　　首先对有限元计算结果文件中的数据存放格式进行研究，设计了数据读取算法，实现了不同类型数据的提取。本文采用单元局部应力磨平和修匀的方法，将高斯积分点处的焊接应力数值转化为节点数据，为实现应力场可视化奠定了基础。为实现不同格式数据的兼容和共享，将提取到的数据以统一格式进行了再存储，以待后续的分析处理。
　　根据八节点六面体单元的拓扑关系，设计了实体表面搜索算法和网格重合线过滤算法，基于OpenGL完成平板及T型结构焊接的有限元模型重建，并结合计算机图形学，实现了模型的平移、缩放和旋转变换，方便全面地对结果进行观察分析。
　　对焊接过程模拟结果的可视化方法进行了研究，设计了温度—时间及应力—时间变化曲线绘制算法和程序，完成了场变量的历程显示。设置颜色模型，优化有效区域搜索算法，实现了等值线的快速生成，并在此基础上采用区域填充法完成了结构表面及实体内部截面的彩色云图、熔池形貌图的绘制。最后将焊接引起的节点位移按一定比例放大后叠加到原始模型中，得到焊后的构件变形图。
　　对数据提取及后处理图形生成算法进行封装，开发了一套焊接过程有限元计算结果的后处理系统。采用Weld TPS及某商业有限元软件对典型焊接过程进行了有限元计算，将其输出结果导入本文开发的后处理系统进行分析，表明该系统可满足基本的焊接温度场、应力及位移场的分析需求。

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图表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.2 焊接过程有限元模拟的研究现状

1.3 有限元技术二次开发的研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第二章 数据格式分析及处理

2.1 数据格式分析

2.2 数据提取及存储

2.3 焊接应力由积分点向节点的转化

2.4 小结

第三章 基于OpenGL的有限元模型重建及图形变换

3.1 图形引擎OpenGL简介

3.2 焊接有限元模型的重建

3.3 图形变换

3.4 小结

第四章 有限元计算结果的可视化

4.1 焊接历程显示—过程线

4.2 焊接场量的表面等值线

4.3 焊接场量的彩色云图

4.4 焊接熔池形貌

4.5 焊接场量的截面云图显示

4.6 焊接变形图

4.7 小结

第五章 焊接有限元结果后处理系统

5.1 系统设计

5.2 实例展示

5.3 小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 前景展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文