熔化焊熱—力智能數(shù)值模擬方法研究.pdf

1、熔化焊熱-力有限元分析在焊接結構設計、焊接變形和應力預測中獲得極其廣泛的應用。隨著企業(yè)計算機的普及和軟硬件環(huán)境的改善,焊接結構有限元計算需求正日益加大。然而,焊接結構有限元的建模需要彈塑性理論、有限元、焊接結構等多方面知識,其難度大,普通焊接工程師自行計算時將面臨諸多困難,因此迫切需要一種簡單易操作的模擬軟件系統(tǒng)。本文基于熔化焊熱-力有限元計算的專家知識和經(jīng)驗,對材料參數(shù)設置、六面體網(wǎng)格自動劃分、焊接熱源校核以及復雜曲線路徑動態(tài)熱源程序

2、生成等智能方法加以系統(tǒng)研究,并合理運用這些方法,從而實現(xiàn)了專家級焊接熱-力有限元的模擬。
　　為了開發(fā)面向多種焊接結構的智能模擬系統(tǒng),解決不同結構的智能程序不同的問題,本文首先通過對基因控制生物生長原理的類推,提出了控制組元算法,并將其運用于控制組元組裝結構的智能模擬過程中。同時,為自主生成基于 MARC接口智能模擬所需的接口程序,本文還針對自動調(diào)用MARC系統(tǒng)接口技術方案進行了研究,并衍生出了生成可變模型接口程序的高階程序方法,

3、從而真正實現(xiàn)了智能模擬過程所需程序的自動生成。
　　焊接過程溫度范圍較大,在其溫度區(qū)間內(nèi),由于材料溫度變化以及組織轉(zhuǎn)變,材料性能發(fā)生明顯變化,且變化復雜。因此,為實現(xiàn)焊接溫度區(qū)間材料參數(shù)設置,本文基于焊接過程材料屬性特征、熱彈塑性理論及專家經(jīng)驗,提出了溫度分區(qū)的材料設置方法。并通過數(shù)值計算及理論分析的方法,研究了金屬液態(tài)溫區(qū)的高溫熱傳導系數(shù)、比熱及熱膨脹系數(shù)的設置方法。基于溫度分區(qū)方法以及材料知識庫的,設計了整個焊接溫度區(qū)間材料參

4、數(shù)的智能設置算法,實現(xiàn)了專家級材料模型的建立。
　　熱源建模是非常復雜過程,需依據(jù)熱源模型原理選取合適的熱源模型并輸入匹配的熱源模型參數(shù),才能獲得準確的熱源能量分布。為建立準確的焊接熱源載荷,本文依據(jù)專家系統(tǒng)原理,設計了集成有限元的熱源校核專家系統(tǒng)。首先,基于專家知識經(jīng)驗以及對熱源模型特性的分析,建立了熱源模型選擇知識規(guī)則,實現(xiàn)了熱源模型的專家選擇。其次,為了獲取匹配的熱源模型參數(shù),設計了熱源模型參數(shù)推理專家模塊的數(shù)據(jù)庫、推理知識

5、規(guī)則及推理引擎算法,成功推理了熱源模型參數(shù),實現(xiàn)了智能化焊接熱源校核。
　　針對六面體網(wǎng)格劃分問題,本文采用控制組元算法研究出一種新型全六面體網(wǎng)格自動劃分方法,并設計了面向多種形狀的控制組元形狀、拼裝規(guī)則和控制信息,實現(xiàn)了組元拼裝結構的六面體網(wǎng)格自動劃分。劃分過程中,通過識別組元的拼裝關系,傳遞了組元的網(wǎng)格劃分信息,保證了六面體網(wǎng)格的連續(xù)性。同時,為了降低組元拼裝的復雜性,采用組元組組裝方法,通過省略冗余組元定形線簡化了拼裝過程。

6、焊接結構有限元計算過程中,為提高效率,往往在焊縫附近采用密網(wǎng)格,遠離焊縫區(qū)采用粗網(wǎng)格,針對這一問題,本文提供了過渡網(wǎng)格組元,實現(xiàn)了符合焊接結構特征的過渡六面體網(wǎng)格智能劃分?？刂平M元法網(wǎng)格劃分速度快,網(wǎng)格質(zhì)量較好。
　　設計復雜結構曲線焊接路徑的動態(tài)焊接熱源程序是非常繁瑣的工作,針對這一問題,本文研究了曲線路徑動態(tài)熱源程序的自動生成。為建立多種焊接路徑的熱源程序,采用局部焊接坐標系法設計動態(tài)熱源高階程序。利用這種方法,其關鍵是獲取曲

7、線路徑的焊接路徑信息,進而確定焊槍的位姿。因此,本文研究了適于結構特征的隨動焊接位姿的定義方法,并采用參考點法和輔助圓捕捉法獲取隨動熱源的焊接路徑信息,從而實現(xiàn)了復雜空間曲線隨動焊接熱源自動加載。
　　基于以上研究,本文設計并開發(fā)了用戶化焊接熱-力模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠提供參數(shù)造型,過渡六面體網(wǎng)格自動劃分,專家級材料參數(shù)設置,并且具有焊接熱-力初始條及邊界條件加載和適于焊接的后處理等功能。用戶在使用該系統(tǒng)時,僅需簡單的參數(shù)輸入操作即