材料科学综合

焊接数值模拟中热源的选用原则

谷京晨，童莉葛，黎磊，等

摘要：焊接热过程是影响焊接质量和生产效率的主要因素之一。焊接热过程的数值模拟是焊接方法合理性分析、焊接工艺参数优化，以及焊接冶金分析和动态应力分析的前提与基础。诸多因素，例如网格结构和尺寸、时间和空间差分方法和解析度等等都会影响焊接热过程模拟结果的精度。热源模型的选择是焊接热过程数值模拟的基础，热源模型的选择直接影响着模拟结果的准确性。本文在仔细分析各种热源模型的基础上，综述了焊接数值模拟热源模型的研究进展，分别对集中热源模型、平面热源模型、体热源模型和组合热源模型的优缺点以及适用范围进行分析，发现（1）集中热源模型假设焊接热过程只考虑扩散项作用而忽略对流项影响，从而忽略了熔池流动对传热的影响。因此，集中热源模型仅适合于远离熔合线的低温区域的能量方程计算，或对焊炬附近温度分布结果精度要求不高的情况下使用。对于焊接热源的分布规律分析，集中热源模型的精度较低。（2）以高斯热源模型为代表的平面热源模型，通过高斯函数描述了焊接热源的分布。其对称性假设限制了平面高斯热源模型仅适合于低速焊接过程的数值分析计算；通过考虑焊炬移动对热源分布的影响，提出了双椭圆热源模型，但因随后双椭球模型的提出，应用并不广泛。（3）体热源模型的提出解决了二维热源模型在熔深方面的问题。……