焊接熱力過程數(shù)值模擬在航空航天焊接結(jié)構(gòu)工藝分析中受到廣泛關(guān)注，特別是數(shù)字化制造技術(shù)的發(fā)展，它要求在實(shí)際產(chǎn)品投產(chǎn)之前應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)對(duì)其性能和可制造性進(jìn)行預(yù)測和評(píng)價(jià)，從而縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造周期。焊接熱力過程數(shù)值模擬的使用對(duì)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝，認(rèn)識(shí)焊接熱力過程的本質(zhì)規(guī)律等方面具有重要作用。焊接過程是一個(gè)包括熱力耦合、熱流耦合和熱冶金耦合等多種熱作用的復(fù)雜過程。焊接熱作用貫穿于整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)的制造過程中，焊接熱過程直接決定了焊后的顯微組織、應(yīng)力、應(yīng)變和變形。因此，準(zhǔn)確分析焊接熱過程對(duì)于指導(dǎo)焊接工藝的制定、焊接接頭顯微組織分析、焊接殘余應(yīng)力分析以及焊接變形分析具有非常重要的意義。
當(dāng)使用普通電弧焊還是激光或電子束等高能束流的方法進(jìn)行焊接時(shí)，都使用高度集中的熱源加熱，在熱源中心作用點(diǎn)的附近會(huì)產(chǎn)生較小的焊接熔池，整個(gè)熔池和熱影響區(qū)分布著非均勻大梯度的溫度場，這種溫度場對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的制造過程和使用性都會(huì)產(chǎn)生極為重要的影響。
隨著計(jì)算機(jī)軟件與數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，在焊接制造過程中預(yù)測焊接工藝的可行性，并與焊接產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)與制造實(shí)現(xiàn)集成變成了可能。數(shù)字化制造的出現(xiàn)也要求設(shè)計(jì)人員借助于信息技術(shù)完成焊接建模，快速開發(fā)產(chǎn)品與工藝，以減少在實(shí)際生產(chǎn)過程中不協(xié)調(diào)因素的影響。
通過數(shù)值模擬可以研究焊接引起的熱、力和冶金變化，預(yù)測焊接變形和殘余應(yīng)力的能力，有助于產(chǎn)品開發(fā)人員選擇zui合適的焊接方法并更準(zhǔn)確地預(yù)測焊接性能。將焊接熱力模擬過程集成到產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以減少從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到投入生產(chǎn)所需的時(shí)間，降低生產(chǎn)成本、減少返修，提高生產(chǎn)效率。
焊接熱力數(shù)值模擬能夠?qū)Ξa(chǎn)品質(zhì)量有重要影響的工藝行為進(jìn)行驗(yàn)證，將有助于改進(jìn)焊接產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，加深對(duì)焊接工藝的了解，從而選擇優(yōu)化的工藝。
數(shù)值模擬的研究
焊接時(shí)的溫度分布、組織轉(zhuǎn)變以及焊接殘余應(yīng)力和變形都與熱過程有關(guān)，因此要得到一個(gè)高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)必須控制這些因素，而準(zhǔn)確地預(yù)測和控制焊接溫度、顯微組織和殘余應(yīng)力的變化過程，對(duì)焊接質(zhì)量的控制尤為重要。
目前，焊接過程數(shù)值模擬主要有以下幾個(gè)方面：
1.焊接溫度場的數(shù)值模擬，包括焊接熱傳導(dǎo)、電弧物理現(xiàn)象、焊接熔池的傳熱和傳質(zhì)行為等。
2.焊接應(yīng)力與變形的數(shù)值模擬，包括焊接過程中瞬態(tài)熱應(yīng)力應(yīng)變和殘余應(yīng)力應(yīng)變等。
3.焊接化學(xué)冶金與物理冶金過程模擬，包括化學(xué)元素過渡、凝固、晶粒長大、偏析、固態(tài)相變、熱影響區(qū)脆化和氫擴(kuò)散等。
4.焊接接頭的力學(xué)行為和性能的數(shù)值模擬，包括斷裂、疲勞、力學(xué)不均勻性，幾何不均勻性及組織、結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等。
5.焊接質(zhì)量評(píng)估的數(shù)值模擬，如裂紋、氣孔等各種缺陷的評(píng)估及預(yù)測。
6.特殊焊接過程的數(shù)值分析，如電阻焊、激光焊、電子束焊、擴(kuò)散焊、陶瓷與金屬連接等。
焊接熱力過程常用的數(shù)值模擬方法有差分法、有限元法和邊界元法。目前已有不少成熟的計(jì)算分析軟件可供焊接過程分析選用。這些軟件可以進(jìn)行二維、三維的電、磁、熱以及力等問題的線性和非線性的有限元分析，并且具有自動(dòng)劃分有限元網(wǎng)格和自動(dòng)整理計(jì)算結(jié)果并使之形成可視化圖形的前后處理功能。因此，應(yīng)用者已經(jīng)無需自己從頭編制模擬軟件，可以利用商品化軟件，必要時(shí)加上二次開發(fā)，即可以得到需要的結(jié)果。盡管如此，數(shù)值模擬前也必須對(duì)有關(guān)的基礎(chǔ)理論、建模方法、初始條件和邊界條件、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備以及求解原理等進(jìn)行全面了解，才能得到正確的模擬結(jié)果。
在焊接過程數(shù)值模擬中，對(duì)焊接溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場的模擬數(shù)量zui多，起步也較早，積累的經(jīng)驗(yàn)也較豐富，在實(shí)際生產(chǎn)中得到了一定的應(yīng)用。
圖1焊接熔池
溫度場的模擬是對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變場及焊接過程其他現(xiàn)象進(jìn)行模擬的基礎(chǔ)，這就需要根據(jù)焊接工藝情況和數(shù)值模擬的要求構(gòu)建熱源模型。建立熱源模型的主要目標(biāo)是尋找符合相應(yīng)焊接參數(shù)條件下的熱流分布形式，使模擬的熔池（見圖1）邊界線與實(shí)驗(yàn)觀測的焊縫熔合線相符。
焊接應(yīng)力及變形與焊接過程中產(chǎn)生的塑性變形有關(guān)，一般情況下，發(fā)生塑性變形的區(qū)域遠(yuǎn)大于金屬熔化的區(qū)域。由于力學(xué)松弛，導(dǎo)致焊接應(yīng)力及變形對(duì)焊接過程中熔池內(nèi)發(fā)生的傳熱傳質(zhì)過程反映并不敏感，因此對(duì)于焊接力學(xué)分析而言，焊接熱過程中發(fā)生于熔池內(nèi)的很多復(fù)雜的熱傳輸現(xiàn)象均處于相對(duì)次要的地位，這樣，就可以使用基于傅立葉定律的固體導(dǎo)熱理論求解焊接溫度場，可以考慮改變材料的高溫?zé)嵛锢硖匦詠砗喕Ｐ投挥?jì)熔池中的對(duì)流等復(fù)雜熱傳輸過程。在相應(yīng)熱輸入條件下，只要熱源模型所模擬的熔池區(qū)域邊界（fusion zone boundary，fzb）與實(shí)際焊縫熔合線相符，就可以認(rèn)為該種焊接熱源模型是合理的，將這一準(zhǔn)則定義為熔池邊界準(zhǔn)則。以熔池邊界為準(zhǔn)則的焊接溫度場模擬完夠滿足焊接力學(xué)分析的要求（見圖2）。
圖2電子束焊接溫度場數(shù)值模擬結(jié)果
焊接變形工件內(nèi)部的塑性變形和傳熱發(fā)生在同一空間域和時(shí)間域，但由于變形與傳熱二者屬于不同的物理性質(zhì)問題，分別由彈塑性問題和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題描述，因此其對(duì)應(yīng)場量難以采用聯(lián)立求解的方法分析。一般而言，彈塑性有限元法采用增量法逐步解出工件的有關(guān)場量（如速度場、應(yīng)力場和應(yīng)變場等），而溫度場則用時(shí)間差分格式逐步積分得到。這樣可以在某一瞬時(shí)分別計(jì)算變形和溫度，通過二者之間的，將它們的相互影響作用考慮進(jìn)去，以達(dá)到焊接熱力過程的耦合分析（見圖3）。
圖3 梁板結(jié)構(gòu)焊接變形模擬結(jié)果
雖然焊接溫度場和殘余應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)值模擬結(jié)果有了一些實(shí)際應(yīng)用，但由于焊接過程的復(fù)雜性，大量有關(guān)焊接過程的數(shù)值模擬研究成果與實(shí)際應(yīng)用仍有較大差距，而且模擬中有不少問題有待解決，對(duì)于已經(jīng)能夠解決的問題存在著精度不高或耗費(fèi)大的問題，因此，需要在模擬技術(shù)上進(jìn)一步開展研究，同時(shí)也要繼續(xù)發(fā)展驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的測試技術(shù)。
數(shù)值模擬的應(yīng)用
在航空航天結(jié)構(gòu)精益生產(chǎn)和并行工程中，焊接性數(shù)值分析具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。在歐洲空中客車340飛機(jī)的生產(chǎn)中，飛機(jī)機(jī)身的鋁合金蒙皮壁板的縱向加強(qiáng)肋采用激光束焊接可以減輕20%的重量。焊接的主要挑戰(zhàn)是保持低的變形（特別是橫向變形）和減少殘余應(yīng)力 （特別是縱向拉應(yīng)力）。要考慮接頭類型的變化、焊接順序、冷卻條件、裝夾模式以及縱向預(yù)載荷等措施以達(dá)到低變形和殘余應(yīng)力，決定這些措施及其可能的組合，需要采用焊接熱力數(shù)值模擬技術(shù)。
圖4由數(shù)值分析支持的設(shè)計(jì)過程
空中客車340飛機(jī)設(shè)計(jì)過程可以劃分成一系列的工作（見圖4），工藝過程的數(shù)值模擬在設(shè)計(jì)過程中具有重要作用（見圖5）。圖6所示為支持焊接過程研究的數(shù)值模擬。
圖5設(shè)計(jì)過程中的制造工藝定義
圖6數(shù)值分析支持的焊接工藝開發(fā)
以工程分析、數(shù)值模擬、計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)化生產(chǎn)為基礎(chǔ)的焊接工藝將得到廣泛使用，使焊接從以基于經(jīng)驗(yàn)的工藝向基于物理模型的工藝轉(zhuǎn)變，焊接生產(chǎn)工藝將建立在更嚴(yán)密的科學(xué)基礎(chǔ)之上。這種轉(zhuǎn)變的核心是以全面的知識(shí)體系為基礎(chǔ)的模擬，信息技術(shù)將起到重要作用；這些知識(shí)包括焊接性能、工藝、材料及應(yīng)用等方面的數(shù)據(jù)。焊接工藝全面的物理基礎(chǔ)模型將涵蓋焊接產(chǎn)品的整個(gè)壽命周期。數(shù)值模擬在航空航天焊接結(jié)構(gòu)完整性評(píng)定以及壽命預(yù)測、損傷修復(fù)等方面也將發(fā)揮重要作用。