電阻點焊過程數(shù)值模擬與仿真分析技術(shù)

2013-06-22  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

來源:焊接技術(shù)
關(guān)鍵字:電阻點焊 數(shù)值分析 可視化技術(shù) 有限元

電阻點焊技術(shù)作為一種高效的薄板結(jié)構(gòu)連接方法廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各行各業(yè),特別是汽車制造業(yè)。具不確切統(tǒng)計,一輛小轎車的殼體制造就需5000-10000個焊點。然而,點焊完成的時間很短,大約在0.2s左右完成。因此,依靠試驗的方法研究其過程行為具有很大的難度。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法已成為分析電阻點焊過程機理的重要手段。國內(nèi)外許多學(xué)者相繼建立各自的數(shù)值模型,并普遍采用有限元分析方法對點焊過程進(jìn)行了模擬計算,取得了很大的進(jìn)展[1-10]。但這類工作的不足之處是研制軟件的前后處理部分,需要收集整理并輸入大量的原始數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)繁瑣且容易出錯,也因為缺乏功能完善的后處理器,也給推廣使用帶來了很大困難。

    科學(xué)計算可視化涉及計算機圖形學(xué)、圖像處理、計算機輔助設(shè)計、計算機視覺及人機交互等多個領(lǐng)域,是當(dāng)前計算機應(yīng)用新技術(shù)的熱點之一[10]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,工程領(lǐng)域的開發(fā)研究工作越來越向定量化、精細(xì)化的方向發(fā)展,工程人員需要更詳細(xì)的了解結(jié)構(gòu)內(nèi)部各場量的分布情況?？茖W(xué)計算可視化技術(shù)憑借現(xiàn)代計算技術(shù)的圖形能力把計算過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹庇^的、易于理解的、以圖形或圖像形式表示的靜態(tài)或動態(tài)畫面,從而幫助人們有效的理解計算數(shù)據(jù),從繁瑣的數(shù)據(jù)后處理中解放出來。

    本文介紹了自主開發(fā)的電阻點焊過程可視化模擬與分析軟件系統(tǒng)VisualSSRSW中采用的關(guān)鍵技術(shù),如接觸面、接觸電阻、熔核形成和長大等、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、可視化技術(shù)等。

    1系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù)

    按照可視化軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本要求,從用戶與系統(tǒng)交互的角度描述了本軟件的結(jié)構(gòu)流程,如圖1所示。用戶對系統(tǒng)的操作有兩種途徑,一是通過輸入數(shù)據(jù)參數(shù)建立數(shù)值模型,系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值計算,然后將結(jié)果進(jìn)行處理并以圖形顯示的方式反饋給用戶;另一方式則可以使用圖形操作直接獲得可視化信息。圖中的A部分構(gòu)成系統(tǒng)的前處理模塊,B部分則是系統(tǒng)的后處理模塊,A、B及數(shù)據(jù)處理部分共同組成了系統(tǒng)的可視化處理模塊,數(shù)值計算模塊單獨另置。位于此系統(tǒng)中的每個模塊要完成的工作既單純又明確,且可以采用不同的編程語言獨立實現(xiàn)。

圖1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架圖

    VC++在繪圖及圖像處理方面的功能是非常強大的,它專門定義了一組圖形對象和部件用以繪制圖形或完成一些基本的圖像功能。利用這些對象、部件可以方便的繪制各種常用的圖形,通過設(shè)置其屬性,還可改變圖形的不同風(fēng)格。對于前、后置處理模塊中的所要求的功能,VC++設(shè)備描述表(DeviceContext)的可重用DC類即可實現(xiàn)。DC類封裝了全部繪圖方法和大部分GDI函數(shù),一般不需要直接調(diào)用Windows的API函數(shù)。

在可視化處理中,除了繪圖的實現(xiàn)方法外,還涉及到設(shè)備坐標(biāo)(如顯示器屏幕等)與實際坐標(biāo)的映射關(guān)系,以及將設(shè)備坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為輸出數(shù)據(jù)信息這兩個方面。

    2有限元數(shù)值計算技術(shù)

電阻點焊過程是一個高度非線性的多因素耦合過程,涉及電、熱、力、磁和冶金等諸多方面。目前,數(shù)值分析大都采用二維軸對稱模型研究點焊過程電、熱、力行為的相互作用,還考慮到接觸電阻等因素對點焊熔核形成過程的影響[10]。

在點焊有限元分析程序設(shè)計中,關(guān)鍵技術(shù)是電極與工件,工件與工件的接觸問題處理。本程序采用彈簧單元處理接觸問題,當(dāng)彈簧的接觸力小于或等于零時,判斷為分離,當(dāng)彈簧力大于零時,判斷為接觸。由此確定界面的接觸與否。界面電阻的處理為利用靠近界面的單元的最近高斯點的電阻率的變化模擬界面電阻。程序設(shè)計中進(jìn)行了耦合計算,考慮了接觸面積對電流強度的影響,考慮了材料常數(shù)隨溫度的變化,以及溫度變化對接觸面的影響等[5-8]。

程序設(shè)計采用Fortran語言。此語言因其高精度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計算結(jié)構(gòu),成為分析計算類軟件的經(jīng)典編程語言,如著名的大型有限元分析軟件ANSYS就采用了FORTRAN77語言。然而,Fortran語言畢竟是一種面向過程的語言,其人機交互及圖形處理能力并不理想,而面向?qū)ο蟮木幊陶Z言VC++則正好可以彌補Fortran語言在這兩方面的不足。因此,采用VC++語言開發(fā)有限元分析軟件的整體構(gòu)架及前、后置處理系統(tǒng),用Fortran語言獨立開發(fā)數(shù)值計算程序,再運用一定的方法將它們連接為一個有機的整體。其中,進(jìn)程間通訊是這類方法中的一種行之有效的連接方法。

進(jìn)程是Windows操作系統(tǒng)所涉及到的一個概念,是應(yīng)用程序的運行實例,是應(yīng)用程序的一次動態(tài)執(zhí)行?？梢酝ㄟ^Win32API函數(shù)::CreateProcess()創(chuàng)建一個新進(jìn)程,調(diào)用此函數(shù)的進(jìn)程稱為“父進(jìn)程”,而被“父進(jìn)程”創(chuàng)立的進(jìn)程則為“子進(jìn)程”。使用不同進(jìn)程間通訊的方法可以開發(fā)密切相關(guān)的程序的程序組。如圖2所示,本分析軟件將VisualSSRSW系統(tǒng)的構(gòu)架(其中包括前、后置處理)主程序作為父進(jìn)程,將二維軸對稱熱彈塑性大變形點焊過程模擬程序SPFEM作為子進(jìn)程,由父進(jìn)程利用菜單消息映射函數(shù)啟動子進(jìn)程,從而實現(xiàn)了點焊過程有限元分析系統(tǒng)的前、后置模塊與模擬計算模塊的集成。該方法編程簡單、思路清晰且程序的運行速度也很快。

圖2進(jìn)程間通信模型

    3模型建立技術(shù)--前處理模塊

可視化建模作為有限元分析前置處理階段的主要內(nèi)容,對于保證模擬計算系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。對建模過程的基本要求是簡便、快捷,而交互技術(shù)必不可少。交互界面設(shè)計的優(yōu)劣關(guān)乎整個系統(tǒng)的工作效率和用戶的滿意程度,優(yōu)秀的界面可以使用戶不必關(guān)心軟件本身的細(xì)節(jié)而專注于自己的目標(biāo)任務(wù)。VisualSSRSW系統(tǒng)是一個交互式的圖形界面系統(tǒng),允許用戶使用交互式圖形方式輸入原始數(shù)據(jù)、觀察圖形實體及網(wǎng)格單元。

前置處理模塊的主要功能是建立求解對象的模型,定義相應(yīng)的材料屬性,確定場域中各子域的空間位置及形狀參數(shù),并自動進(jìn)行網(wǎng)格剖分,從而為模擬計算做好準(zhǔn)備。VisualSSRSW系統(tǒng)前處理的初始化參數(shù)包括點焊工件的性能參數(shù)、電極材料的性能參數(shù)、電極形狀參數(shù)、焊接規(guī)范以及網(wǎng)格剖分?jǐn)?shù)據(jù)等。系統(tǒng)中對場域采用四節(jié)點四邊形等參元進(jìn)行網(wǎng)格自動剖分,對計算區(qū)域的主體部分(電極頭與工件接觸區(qū)域)剖分的較細(xì)密,而對其它區(qū)域則剖分的較稀疏。為了處理工件和電極這兩種介質(zhì)的混合場域問題,采用彈性表面元模擬工件與工件、工件與電極間的接觸狀態(tài)。網(wǎng)格剖分部分最后生成與模擬計算模塊接口的前處理文件。圖形操作子模塊可以對窗口顯示的圖形進(jìn)行平移、縮放、打印預(yù)覽及保存等操作。為了防止誤操作,前置處理模塊具有回退功能,可以一直返回到參數(shù)輸入的首界面,從而提高了軟件的安全性。圖3表示了電極的參數(shù)化處理,便于進(jìn)行網(wǎng)格的自動劃分。

點極類型
尺寸參數(shù)化	公稱直徑D; 工作面直徑D1 ; 工作面圓弧半徑R1 ; 過渡圓弧半徑R	公稱直徑D; 工作面直徑D1 ; 工作面圓弧半徑R1	公稱直徑D 工作面直徑D1 端部錐角α

圖3典型電極的參數(shù)化設(shè)計

4結(jié)果處理技術(shù)--后處理模塊

有限元分析結(jié)果的可視化技術(shù)包括矢量場和標(biāo)量場兩大類。矢量場有流體等物質(zhì),可視化主要使用箭頭線段表示法;標(biāo)量場有溫度、應(yīng)力應(yīng)變的某一方向等,

本文對有限元計算結(jié)果進(jìn)行處理,包括圖形顯示、結(jié)果輸出等,是后處理模塊的主要內(nèi)容?？梢暬饕捎玫戎稻€、彩色云圖、線架曲面圖及切片圖等,其中以等值線圖和彩色云圖最為常用。本系統(tǒng)中提供了點焊熔核長大曲線圖、結(jié)構(gòu)變形圖、等值線圖及彩色云圖等多種用于結(jié)果分析的后處理方法。

    (1)熔核尺寸與電極位移圖

為了方便觀察點焊熔核的長大過程,系統(tǒng)提供了按焊接周期顯示的熔核直徑、厚度的變化曲線圖,另外還可以顯示電極位移變化曲線。系統(tǒng)中采用了兩種形式繪制結(jié)構(gòu)的變形圖或位移圖,一種是將整個網(wǎng)格各點的變形圖都繪制出來,而另一種是只繪制結(jié)構(gòu)的外框變形圖。這兩種方式各有利弊,前一種方式由于繪制了各點的變形,故能反映結(jié)構(gòu)各部分的變形情況,但是當(dāng)網(wǎng)格較密時,會導(dǎo)致圖形顯示不夠清晰;而后一種方式只繪制出外部框架的變形,圖形很清晰,但是結(jié)構(gòu)內(nèi)部的變形不清楚。故系統(tǒng)中提供以上兩種變形圖來綜合反映結(jié)構(gòu)的變形情況。圖4和5分別表示了材料為LY12CZ鋁合金,板厚1.0mm薄板在電極壓力2.5KN條件下,焊接電流對的熔核形成與長大、電極位移的影響。計算結(jié)果很好的模擬了實際熔核形成長大與電極位移的變化過程。

圖4點焊熔核長大曲線圖

圖5電極位移曲線圖

    (2)等值線及彩色云圖

為了形象、直觀的描述電阻點焊過程各時刻溫度、電勢、應(yīng)力應(yīng)變及位移等場量的分布情況,系統(tǒng)可以繪制上述各場量的等值線及彩色云圖。等值線繪制采用網(wǎng)格插值法[12],其基本思路是采用插值逐個網(wǎng)格單元追蹤每條等值線,獲取各條等值線在其所穿過的單元的棱邊上的坐標(biāo)值。將這些坐標(biāo)值存儲在動態(tài)數(shù)組或鏈表之中,連接各坐標(biāo)點即可繪制出等值線圖。彩色云圖綜合運用單元填充法和掃描線法繪制。對遠(yuǎn)離點焊內(nèi)熱源的單元采用單元填充法,由單元的平均值映射的顏色直接填充該區(qū)域;而對于處于點焊內(nèi)熱源附近的單元,由于場量值變化很劇烈,因此有必要深入單元的內(nèi)部由插值計算的場量值對應(yīng)的顏色繪點,形成這些單元的云圖采用的是掃描線算法。在等值線和云圖的顯示界面,采用從暗紅漸變到深藍(lán)的不同顏色標(biāo)識場量值的大小。鑒于篇幅不再詳細(xì)討論這兩種圖形的繪制算法。圖6所示為電阻點焊溫度場的等溫線圖;圖7為電阻點焊電勢場的彩色云圖。

圖6點焊溫度場等溫線圖

圖7點焊電勢場彩色云圖

    5結(jié)論

本文介紹了自主開發(fā)的電阻點焊過程可視化模擬與分析軟件系統(tǒng)VisualSSRSW中采用的關(guān)鍵技術(shù),如接觸面、接觸電阻、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、可視化技術(shù)。采用可視化技術(shù)開發(fā)的電阻點焊過程模擬系統(tǒng)VisualSSRSW具有如下特點:完全可視化的前處理建模過程,用戶以圖形界面方式輸入點焊工件、電極的形狀參數(shù)、材料性能參數(shù)、焊接規(guī)范等;能夠自由選擇網(wǎng)格剖分的疏密程度,實現(xiàn)網(wǎng)格的自動剖分;可視化的后置處理方式多樣,便于對計算結(jié)果進(jìn)行分析處理;實現(xiàn)了獨立開發(fā)的數(shù)值計算模塊與系統(tǒng)的前、后置處理模塊的集成。

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