史平安 莫 军
材料加工过程虚拟与仿真一直是近年来材料加工领域的研究热点。对于焊接过程而言，其物理现象本身非常复杂，是一个涉及高温电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，因此在建立精确的物理模型方面存在着较大的难度。由于焊接过程温度梯度很大，在空间域内大的温度梯度导致严重的材料非线性，产生求解过程中的收敛困难和解的不稳定性；在时间域内大的温度梯度决定了瞬态分析时离散程度上的加大，直接导致求解时间步的增加。由于上述原因，焊接过程数值模拟的研究长期以来一直停留在二维水平上。近年来，随着计算机技术的发展，焊接过程三维数值模拟成为该领域的重要研究课题。由于焊接过程的复杂性，焊接过程的三维数值模拟仍停留在基础性研究阶段，且大多是以典型接头作为研究对象，远未达到应用于实际结构的水平。影响加工过程三维数值模拟在实际生产中应用的主要因素可概括为三点:(1) 焊接结构三维模型自由度数目庞大；(2) 严重的材料非线性导致求解过程收敛困难；(3) 高温区的存在使得数值模拟的精度和稳定性难以保证。这些因素的存在直接导致计算时间的增多。针对上述问题，为了减少计算时间和三维模型的自由度数目，本文选择了适当的数学模型和物理模型。
在区域W中，有力学平衡方程和应力应变间的本构方程
以及热过程控制方程
为了真实反映焊接过程中不同时刻的温度场和应力场，焊接热源按表面移动热流处理，热源内的能量按高斯函数分布。在焊接电流、电压和热效率分别为I、U和h时，取电弧中心处*比热流为qm=KhUI/2p，距电弧中心处的比热流为qR =qmexp(-KR2)。
图1 圆柱形构件表面温度沿周向的分布
图2 焊接过程中焊缝处径向残余应力分布
图3 焊接过程中焊缝处经向残余应力分布