焊接熱力模擬的實(shí)質(zhì)是一個(gè)熱力耦合過程的模擬，而“熱”和“力”兩種物理場(chǎng)在耦合方式上可分為兩大類型:直接耦合和間接耦合。

直接耦合是指焊接熱會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力和變形，而應(yīng)力和變形反過來還會(huì)影響熱的產(chǎn)生。其在計(jì)算上是一個(gè)耦合在一起、統(tǒng)一的過程，經(jīng)過一次計(jì)算即可得到完整的焊接溫度場(chǎng)及應(yīng)力和變形場(chǎng)。而間接耦合(又稱順序耦合)是指焊接熱是產(chǎn)生應(yīng)力和變形的前提，但應(yīng)力和變形并不會(huì)反過來影響焊接熱過程。在這種耦合方式下，一般先計(jì)算焊接溫度場(chǎng)，然后以溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果為前提條件，再計(jì)算后續(xù)焊接應(yīng)力與變形，是順序銜接在一起的兩個(gè)分析過程。

在實(shí)際應(yīng)用過程中，常常使用間接耦合的方式來進(jìn)行焊接熱力模擬計(jì)算，這是因?yàn)?/span>：

1) 在一般的弧焊焊接過程中，由應(yīng)變產(chǎn)生熱的效應(yīng)并不明顯，即由“力”向“熱”這一支線的耦合效應(yīng)比較弱，可以忽略不計(jì)(當(dāng)然在某些焊接方法下,“力”“熱”的耦合效應(yīng)比較強(qiáng)烈，如攪拌摩擦焊，此時(shí)就不宜采用間接耦合的方式進(jìn)行模擬計(jì)算)。

2) 從計(jì)算效率方面考慮，直接耦合計(jì)算時(shí)，需要求解的雅可比矩陣為非對(duì)稱矩陣，增加了求解時(shí)間。因此，對(duì)于同一個(gè)焊接模型，采用直接耦合進(jìn)行計(jì)算所需的時(shí)間要比采用間接耦合所需的時(shí)間長得多。

4.3.2 熱源模型的選擇與校核

熱源模型及參數(shù)的選取對(duì)焊接過程的模擬結(jié)果有很大影響。第2章中提到焊接熱源模型可分為體熱源模型、面熱源模型和組合熱源模型。在進(jìn)行焊接熱力過程模擬前，要根據(jù)實(shí)際的焊接情況選取適當(dāng)?shù)臒嵩茨Ｐ?。一般的做法是，根?jù)實(shí)際焊縫區(qū)截面選取合適的焊接熱源種類。例如，采用面熱源模型計(jì)算得到的熔化區(qū)深度一般較淺(圖4-1)，比較適合于對(duì)薄板焊接進(jìn)行模擬。

圖4-1 采用面熱源模型計(jì)算得到的熔化區(qū)截面

而對(duì)于具有較大熔深焊縫的焊接過程，如厚板焊接、帶坡口焊、埋弧焊等，則不宜采用面熱源模型,采用雙橢球形體熱源模型可以較好地模擬這些焊接過程如圖 4-2 所示。

圖 4-2采用雙橢球形體熱源模型計(jì)算得到的熔化區(qū)截面

對(duì)于一些深熔焊，如高能束焊接等，則應(yīng)考慮采用錐體熱源模型或組合熱源模型，如圖 4-3 所示。

圖4-3采用組合熱源模型得到的熔化區(qū)截面

在選取了熱源模型種類后，需要對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行精確校核，才能將其用于模擬計(jì)算。

(1)表面高斯分布熱源模型的參數(shù)校核

表面高斯分布熱源模型公式見2.1.2節(jié)中的式(2-9)。

對(duì)于表面高斯分布熱源模型來說，模型函數(shù)的自變量是，模型參數(shù)有焊接電流1、焊接電壓U、焊接熱源的熱效率"和電弧有效加熱半徑R。除了電弧有效加熱半徑 Ro外，其余參數(shù)可由焊接工藝直接給出。因此，對(duì)平面高斯分布熱源模型的校核主要是指對(duì)有效加熱半徑的校核。實(shí)際應(yīng)用過程中通常采用對(duì)比實(shí)際的熔化區(qū)截面半徑和計(jì)算的熔化區(qū)截面半徑的方法來確定R的值。一般的經(jīng)驗(yàn)做法是:如果模擬得到的焊縫熔化區(qū)半徑比實(shí)際略小，則應(yīng)調(diào)小&的值;如果模擬得到的焊縫熔化區(qū)半徑比實(shí)際略大，則應(yīng)調(diào)大R的值。這是因?yàn)橛行Ъ訜岚霃絉反映了熱源的集中程度，即R越小，熱源越集中，在相同的熱流下越容易產(chǎn)生更大的熔化區(qū)。

(2)雙橢球形體熱源模型的參數(shù)校核

雙橢球形體熱源模型公式見2.1.2節(jié)中的式(2-12)、式(2-13)。對(duì)于雙橢球形體熱源模型，模型參數(shù)較多，除由焊接工藝直接給定的焊接電流 1、焊接電壓 U、焊接熱源的熱效率n外，還包括前、后兩個(gè)橢球的共4個(gè)半軸長 a1、a2、b、c及前、后橢球的能量分配系數(shù),f₁和f₂。

對(duì)于常規(guī)的弧焊，采用雙橢形體球熱源模型時(shí)，Goldak建議取f₁=0.6，f₂=1.4，而根據(jù)實(shí)際焊縫的熔寬來確定a₁、a₂與b的值，根據(jù)實(shí)際焊縫熔深來確定c的值，一般取:

如果在模擬之前并不知道實(shí)際焊縫的深度、寬度等參數(shù)，也可根據(jù)下式近似計(jì)算。

同樣地，如果模擬出的焊縫截面寬度比實(shí)際熔寬略大，則應(yīng)相應(yīng)加大b的值，如果模擬出的焊縫深度比實(shí)際熔深略大，則應(yīng)相應(yīng)調(diào)大c的值;反之亦然。

（內(nèi)容、圖片來源：《焊接過程數(shù)值模擬》一書，侵刪）

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