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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊接變形和應(yīng)力預(yù)測(cè)中獲得極其廣泛的應(yīng)用。隨著企業(yè)計(jì)算機(jī)的普及和軟硬件環(huán)境的改善,焊接結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算需求正日益加大。然而,焊接結(jié)構(gòu)有限元的建模需要彈塑性理論、有限元、焊接結(jié)構(gòu)等多方面知識(shí),其難度大,普通焊接工程師自行計(jì)算時(shí)將面臨諸多困難,因此迫切需要一種簡(jiǎn)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(jì)算的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn),對(duì)材料參數(shù)設(shè)置、六面體網(wǎng)格自動(dòng)劃分、焊接熱源校核以及復(fù)雜曲線路徑動(dòng)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(yùn)用這些方法,從而實(shí)現(xiàn)了專家級(jí)焊接熱-力有限元的模擬。
　　為了開發(fā)面向多種焊接結(jié)構(gòu)的智能模擬系統(tǒng),解決不同結(jié)構(gòu)的智能程序不同的問題,本文首先通過對(duì)基因控制生物生長(zhǎng)原理的類推,提出了控制組元算法,并將其運(yùn)用于控制組元組裝結(jié)構(gòu)的智能模擬過程中。同時(shí),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(duì)自動(dòng)調(diào)用MARC系統(tǒng)接口技術(shù)方案進(jìn)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(shí)現(xiàn)了智能模擬過程所需程序的自動(dòng)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(fù)雜。因此,為實(shí)現(xiàn)焊接溫度區(qū)間材料參數(shù)設(shè)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(yàn),提出了溫度分區(qū)的材料設(shè)置方法。并通過數(shù)值計(jì)算及理論分析的方法,研究了金屬液態(tài)溫區(qū)的高溫?zé)醾鲗?dǎo)系數(shù)、比熱及熱膨脹系數(shù)的設(shè)置方法。基于溫度分區(qū)方法以及材料知識(shí)庫(kù)的,設(shè)計(jì)了整個(gè)焊接溫度區(qū)間材料參

4、數(shù)的智能設(shè)置算法,實(shí)現(xiàn)了專家級(jí)材料模型的建立。
　　熱源建模是非常復(fù)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(zhǔn)確的熱源能量分布。為建立準(zhǔn)確的焊接熱源載荷,本文依據(jù)專家系統(tǒng)原理,設(shè)計(jì)了集成有限元的熱源校核專家系統(tǒng)。首先,基于專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)熱源模型特性的分析,建立了熱源模型選擇知識(shí)規(guī)則,實(shí)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(shè)計(jì)了熱源模型參數(shù)推理專家模塊的數(shù)據(jù)庫(kù)、推理知識(shí)

5、規(guī)則及推理引擎算法,成功推理了熱源模型參數(shù),實(shí)現(xiàn)了智能化焊接熱源校核。
　　針對(duì)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(dòng)劃分方法,并設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了組元拼裝結(jié)構(gòu)的六面體網(wǎng)格自動(dòng)劃分。劃分過程中,通過識(shí)別組元的拼裝關(guān)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(shí),為了降低組元拼裝的復(fù)雜性,采用組元組組裝方法,通過省略冗余組元定形線簡(jiǎn)化了拼裝過程。

6、焊接結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算過程中,為提高效率,往往在焊縫附近采用密網(wǎng)格,遠(yuǎn)離焊縫區(qū)采用粗網(wǎng)格,針對(duì)這一問題,本文提供了過渡網(wǎng)格組元,實(shí)現(xiàn)了符合焊接結(jié)構(gòu)特征的過渡六面體網(wǎng)格智能劃分。控制組元法網(wǎng)格劃分速度快,網(wǎng)格質(zhì)量較好。
　　設(shè)計(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)曲線焊接路徑的動(dòng)態(tài)焊接熱源程序是非常繁瑣的工作,針對(duì)這一問題,本文研究了曲線路徑動(dòng)態(tài)熱源程序的自動(dòng)生成。為建立多種焊接路徑的熱源程序,采用局部焊接坐標(biāo)系法設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)熱源高階程序。利用這種方法,其關(guān)鍵是獲取曲

7、線路徑的焊接路徑信息,進(jìn)而確定焊槍的位姿。因此,本文研究了適于結(jié)構(gòu)特征的隨動(dòng)焊接位姿的定義方法,并采用參考點(diǎn)法和輔助圓捕捉法獲取隨動(dòng)熱源的焊接路徑信息,從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜空間曲線隨動(dòng)焊接熱源自動(dòng)加載。
　　基于以上研究,本文設(shè)計(jì)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(dòng)劃分,專家級(jí)材料參數(shù)設(shè)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(shí),僅需簡(jiǎn)單的參數(shù)輸入操作即