張琳琳 李海新 楊振林 殷子強(qiáng)

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東 青島 266001)

計(jì)算機(jī)模擬及仿真技術(shù)在水下焊接中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

張琳琳 李海新 楊振林 殷子強(qiáng)

(山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所,山東 青島 266001)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬及仿真技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，成為研究焊接過(guò)程的一種重要手段。結(jié)合水下焊接和計(jì)算機(jī)模擬及仿真技術(shù)的發(fā)展情況，介紹了計(jì)算機(jī)模擬及仿真技術(shù)在水下焊接中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)論述了有限差分法、有限元分析法和有限體積法在水下焊接中的應(yīng)用，并對(duì)計(jì)算機(jī)模擬及仿真技術(shù)在研究過(guò)程中的模擬方法、原理、模型建立及解析方法進(jìn)行了介紹，提出了這一研究領(lǐng)域目前所存在的問(wèn)題和今后的發(fā)展方向。

計(jì)算機(jī)模擬 仿真技術(shù) 水下焊接

0 序 言

隨著海洋資源的大力開(kāi)發(fā)利用，對(duì)海洋工程的結(jié)構(gòu)建設(shè)提出了更高的要求，而水下焊接技術(shù)是制造海洋工程結(jié)構(gòu)必不可少的手段。水下焊接質(zhì)量的好壞直接決定了海洋工程的可靠性。由于水下焊接存在水下壓力大、能見(jiàn)度差、操作困難、焊接質(zhì)量難以保證等問(wèn)題[1]，吸引了大量的研究者，也取得了很多有意義的研究成果。

計(jì)算機(jī)模擬及仿真技術(shù)的出現(xiàn)及發(fā)展，使得焊接技術(shù)朝著“理論分析→數(shù)值模擬(仿真)→焊接生產(chǎn)”的模式發(fā)展，大大減少了焊接時(shí)在實(shí)際物理模型上的安裝、調(diào)試、試驗(yàn)等方面的工作量，同時(shí)縮短了工作時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本。近年來(lái)，焊接數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展迅速，主要致力于焊接溫度場(chǎng)、電場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的模擬，焊接接頭組織、結(jié)構(gòu)、性能的模擬等，還可實(shí)現(xiàn)一系列特種焊接的模擬，達(dá)到優(yōu)化焊接工藝，消除焊接缺陷的目的[2]。此外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也發(fā)展迅速，在焊接設(shè)備的研制、焊接工藝的制定和焊接控制系統(tǒng)的改進(jìn)方面都得到應(yīng)用[3]。盡管計(jì)算機(jī)模擬及仿真技術(shù)在焊接中的應(yīng)用發(fā)展迅速，但是在水下焊接中的研究還比較滯后。此外水下焊接時(shí)焊接難度大，因此更加需要采用計(jì)算機(jī)模擬及仿真技術(shù)進(jìn)行輔助指導(dǎo)，提前發(fā)現(xiàn)水下焊接過(guò)程中存在的問(wèn)題，優(yōu)化工藝，避免焊接缺陷的出現(xiàn)。文中對(duì)計(jì)算機(jī)模擬及仿真技術(shù)在水下焊接中的應(yīng)用研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述分析，并提出目前這一研究領(lǐng)域所存在的主要問(wèn)題和今后的發(fā)展方向。

1 計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在水下焊接中的應(yīng)用現(xiàn)狀

水下焊接時(shí)，焊縫金屬及熱影響區(qū)的冷卻速度比空氣中焊接快，過(guò)快的冷卻速度除了影響焊縫及熱影響區(qū)的微觀組織，導(dǎo)致焊縫中產(chǎn)生氣孔外，還會(huì)導(dǎo)致焊件產(chǎn)生變形和應(yīng)力問(wèn)題[4]，這些均對(duì)接頭性能產(chǎn)生不利影響。采用數(shù)值模擬的方法分析水下焊接過(guò)程中焊件的溫度分布及應(yīng)力應(yīng)變，對(duì)于提出應(yīng)對(duì)措施，改善水下焊接質(zhì)量具有重要意義。歷年來(lái)，對(duì)于空氣中的焊接，研究者大都采用有限差分法、有限元分析法和有限體積法進(jìn)行研究[5]，目前這些方法在水下焊接中也得到應(yīng)用。

1.1 有限差分法

有限差分法是計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算中最經(jīng)典的方法，常用于焊接熔池中流體和溫度場(chǎng)的耦合數(shù)值模擬和熱傳導(dǎo)計(jì)算等，目前在水下焊接中主要用于求解熱傳導(dǎo)方程，分析冷卻過(guò)程特性及其對(duì)焊縫和熱影響區(qū)顯微組織、性能的影響規(guī)律。

Fukuoka等人[6]采用試驗(yàn)和三維有限差分?jǐn)?shù)值方法對(duì)比分析了水下濕法焊接和傳統(tǒng)空氣中焊接的冷卻過(guò)程特性，得出水下焊接時(shí)冷卻速率并不是穩(wěn)定增加的，板厚和焊接速度的增加對(duì)其影響也較小。此外，由于水下濕法焊接時(shí)冷卻速度的影響，焊縫金屬周圍和熱影響區(qū)的硬度是空氣中焊接所得焊縫的兩倍。Dill[7]采用三維Crank-Nicholson有限差分法研究了水下濕法單道焊接的熱過(guò)程曲線和冷卻速率。模型中采用Adams方法以及Tsai和Masubuchi的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，獲得了水下焊接過(guò)程中焊件的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，得出水下濕法焊接焊件的冷卻速率快于空氣中焊接相同焊件同等位置的冷卻速率，且水下濕法焊接時(shí)焊件熱影響區(qū)的顯微組織幾乎不受水溫影響，這一結(jié)果得到試驗(yàn)證實(shí)。Ghadimi等人[5]采用三維有限差分方法對(duì)薄鋼板的水下濕法焊接進(jìn)行模擬，通過(guò)建模和求解適當(dāng)?shù)臒醾鲗?dǎo)方程，獲得了水下濕法單向焊接焊件的溫度曲線、加熱過(guò)程曲線和冷卻時(shí)間。通過(guò)分析焊接參數(shù)的影響，得出周圍流體的類型對(duì)焊接的溫度變化影響顯著，水下焊接的冷卻時(shí)間較空氣中焊接要少的多。

1.2 有限元分析法

有限元分析法與有限差分法都是廣泛應(yīng)用的流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法，具有廣泛適用性。目前也是水下焊接模擬計(jì)算應(yīng)用最多的一種方法，主要用于模擬計(jì)算水下焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變的變化規(guī)律。

針對(duì)水下焊接溫度場(chǎng)的模擬計(jì)算，國(guó)內(nèi)對(duì)水下焊接溫度場(chǎng)研究較早的李傳曦[8]采用有限元法分析計(jì)算了水下焊接溫度場(chǎng)，精確性較高。陳楚等人[9]采用有限元法對(duì)非線性焊接溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，提出了局部干法水下焊接溫度場(chǎng)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)6 mm鋼板的局部干法水下焊接的溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)例計(jì)算，比較了不同焊接條件對(duì)熔合區(qū)冷卻特性的影響，其結(jié)果表明，增加有效屏蔽半徑，采用小功率低焊速配合以及減小底部的導(dǎo)熱條件都能夠提高水下焊接接頭的質(zhì)量。Hamamm等人[10]采用有限元分析方法研究了水下濕法等離子氣體保護(hù)焊的溫度場(chǎng)問(wèn)題，建立了新的焊接模型，分析了焊件表面?zhèn)鳠釋?duì)焊接溫度的影響。Liu等人[11]采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)水下濕法焊接板材的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并研究了影響水下焊接溫度場(chǎng)的幾個(gè)主要因素。賈劍平等人[12]采用ANSYS軟件對(duì)水下局部干法焊接的冷卻溫度變化動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬分析，得到了水下局部干法焊接試件溫度場(chǎng)的變化情況和分布規(guī)律，為研究水下焊接的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和質(zhì)量分析奠定了基礎(chǔ)。Zhang等人[13]采用MSC.MARC軟件建立了水浸攪拌摩擦焊的三維熱源模型，對(duì)水浸攪拌摩擦焊的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，其模擬結(jié)果與溫度場(chǎng)的真實(shí)值具有很高的擬合程度。

也有研究者對(duì)水下焊接溫度場(chǎng)和應(yīng)力應(yīng)變同時(shí)展開(kāi)研究，并建立起兩者之間的聯(lián)系。Ronda等人[14]將水下焊接問(wèn)題歸結(jié)為熱彈性體的熱自由邊界問(wèn)題和熱機(jī)械接觸問(wèn)題，并通過(guò)有限元模擬了焊接接頭處的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力分布。Lindhorst等人[15]研究了水下濕法焊接對(duì)裂紋尖端張開(kāi)位移的影響，對(duì)其焊接過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并采用有限元方法對(duì)非靜態(tài)溫度場(chǎng)和焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，確定了彎曲板焊縫表面固定的裂紋張開(kāi)位移，同時(shí)對(duì)水下濕法焊接和干法焊接的結(jié)果進(jìn)行了比較。趙博[16]使用SYSWELD及相關(guān)軟件對(duì)水下焊接溫度場(chǎng)和熱過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析建模，得到不同焊接水深、不同水流速度時(shí)的焊縫形狀、尺寸以及焊接熱循環(huán)等數(shù)據(jù)。同時(shí)建立焊接應(yīng)力應(yīng)變模型，獲得了水下焊接環(huán)境中工件的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，并將應(yīng)力應(yīng)變模型與焊接溫度場(chǎng)模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了水下焊接接頭的熱-力耦合模擬。

Sun等人[17]還對(duì)水下爆炸焊的沖擊波和焊板的變形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，采用的軟件為ANSYS/LS-DYNA，得到爆炸焊過(guò)程中焊板的速度和壓力分布。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，水能抑制爆炸焊過(guò)程中復(fù)合板產(chǎn)生嚴(yán)重變形。

李連波等人[18]還利用CAD工具輔助建模，采用有限元分析軟件MSC MARC對(duì)水下焊接焊絲進(jìn)行矯直有限元模擬，將矯直后的焊絲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)擬合，得出矯直后焊絲的形狀，最終比較得出三矯直輪之間位置的最佳值，為焊絲矯正系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

1.3 有限體積法

有限體積法是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一種離散化方法，計(jì)算效率高，在一定程度上它既保持了有限差分法的計(jì)算簡(jiǎn)單性，又兼有有限元法的精確性，但目前有限體積法在水下焊接中的應(yīng)用還較少。

Isikilar等人[19]基于有限體積法模型，開(kāi)發(fā)了立體厚矩形板在水下焊接時(shí)的三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)數(shù)值模型，研究了焊接板材的瞬間熱傳導(dǎo)過(guò)程，包括點(diǎn)熱源模擬電弧、對(duì)流、輻射和沸騰表面邊界條件。計(jì)算采用了一種以移動(dòng)熱源為中心的可變網(wǎng)格尺寸算法，該計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中結(jié)果比較，顯示出良好的一致性。Schmidt等人[20]對(duì)在0.1 MPa到10 MPa高壓水環(huán)境下的鎢極氬弧焊(TIG)的燃燒電弧特性進(jìn)行了研究，通過(guò)采用有線體積法對(duì)守恒方程的自洽數(shù)值求解，得出了電弧溫度場(chǎng)、等離子體射流速度場(chǎng)、電流密度場(chǎng)的分布形態(tài)，其中電弧溫度的模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果基本吻合，文章指出隨著環(huán)境壓力的增加，電弧逐漸收縮，電弧的最高溫度和最大速度減小，并且電弧能量的耗散與壓力的平方根成正比。

2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在水下焊接中的應(yīng)用現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在制定焊接工藝、研制焊接設(shè)備、改進(jìn)控制系統(tǒng)等方面的研究，有助于提前構(gòu)思、發(fā)現(xiàn)和解決水下焊接時(shí)存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高效水下焊接。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域展開(kāi)了一系列研究工作。

由于水下高壓焊接時(shí)，環(huán)境參數(shù)特別是壓力對(duì)電弧行為影響很大，但對(duì)其影響規(guī)律的研究，通過(guò)試驗(yàn)方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且難以達(dá)到理想效果。李志剛等人[21]提出采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬仿真的方法來(lái)解決，他采用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器為跟蹤傳感器，建立熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)下的電弧數(shù)學(xué)模型，對(duì)不同壓力下的電弧溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、電流密度場(chǎng)進(jìn)行了研究。

針對(duì)水下焊接焊縫質(zhì)量差等一系列問(wèn)題，陳海軍等人[22]研制了一種旋轉(zhuǎn)電弧傳感器用來(lái)改善水下局部干法焊接的質(zhì)量。采用流體力學(xué)仿真軟件對(duì)傳感器排水罩的排水效果進(jìn)行模擬，驗(yàn)證排水罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。通過(guò)焊接試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，局部干法焊接旋轉(zhuǎn)電弧掃描焊炬改善了水下焊接的質(zhì)量。賈文卓等人[23]也對(duì)局部干式焊接的關(guān)鍵部件排水氣罩進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了排水氣罩的結(jié)構(gòu)，并采用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)罩內(nèi)氣體狀態(tài)進(jìn)行了模擬，得出了排水效果最佳的進(jìn)氣方式為帶鎮(zhèn)靜氣室的環(huán)向進(jìn)氣方式，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)果。李蘭等人[24]以圓形排水罩結(jié)構(gòu)作為局部排水裝置進(jìn)行研究，利用FLUENT軟件進(jìn)行仿真，探索圓形排水罩的排水過(guò)程，分析不同的進(jìn)氣方式和排水方式對(duì)罩內(nèi)相分布的影響，以及對(duì)工件表面流體湍流狀態(tài)的影響，并將仿真的排水過(guò)程與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。

為了實(shí)現(xiàn)水下焊接自動(dòng)化，對(duì)全位置智能化水下焊接機(jī)器人系統(tǒng)的研究也成為熱點(diǎn)之一。挪威的Dag等人[25]采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)高壓干法水下焊接進(jìn)行了研究。利用SOLIDEDGE建立了焊接艙和焊接機(jī)器人的3D模型，再將其轉(zhuǎn)化為 L-grip運(yùn)動(dòng)模型，通過(guò)合適的控制程序，最終將整個(gè)海底管道的維修操作過(guò)程演示出來(lái)，這對(duì)焊接工藝新思路的制定，預(yù)測(cè)焊接過(guò)程存在的問(wèn)題具有重要意義。何銀水[26]在研究水下焊接焊縫的識(shí)別與跟蹤時(shí)，對(duì)水下自動(dòng)焊接的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用模糊控制方法并用MATLAB對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真和控制，得出對(duì)于焊接這樣的非線性控制系統(tǒng)，模糊控制系統(tǒng)較比例-積分-微分(PID)控制系統(tǒng)更能勝任。英國(guó)Cranfield大學(xué)海洋技術(shù)研究中心[27]為了實(shí)現(xiàn)水下無(wú)人焊接，從操作員培訓(xùn)、焊接規(guī)劃、離線編程等方面考慮，用WORKSPACE軟件和ASEA IRBL6/2機(jī)器人建立了一套水下焊接遙控仿真系統(tǒng)，在該系統(tǒng)上進(jìn)行了水下環(huán)境模擬、遠(yuǎn)端操作器、避障等方面的研究。

高輝等人[28]采用ABAQUS有限元計(jì)算軟件，對(duì)水下摩擦螺柱焊的焊接過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，通過(guò)對(duì)焊接溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的分析，較好的解釋了干式環(huán)境和有水環(huán)境下采用相同焊接工藝參數(shù)的焊接接頭質(zhì)量存在差異的現(xiàn)象，提出在有水環(huán)境中進(jìn)行摩擦螺柱焊，宜采用高旋轉(zhuǎn)速度、低壓力的焊接工藝，水的冷卻作用可有效改善焊接接觸面的溫度場(chǎng)分布不均現(xiàn)象，且較低的焊接壓力可降低對(duì)焊接工件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

王健[29]基于粒子物理學(xué)和靜電場(chǎng)角度，利用電磁有限元分析軟件VECTOR FIELDS建立水下濕法TIG焊的模型，對(duì)水下濕法焊接的電弧進(jìn)行了仿真，并采用對(duì)比借鑒前人所做試驗(yàn)的方式，來(lái)驗(yàn)證此種方法的可行性。在此基礎(chǔ)上，再結(jié)合旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，對(duì)水下濕法焊接電弧和外加旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，來(lái)研究電弧在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)行為。

3 存在的問(wèn)題及發(fā)展展望

目前，計(jì)算機(jī)模擬及仿真技術(shù)在水下焊接的研究中取得了一定成果，但存在需要改進(jìn)和深入研究的地方，下一階段的研究重點(diǎn)可以從以下幾方面入手:

(1)水下焊接電弧的模擬方面。對(duì)于水下濕法焊接缺少精確描述水深對(duì)電弧形態(tài)影響規(guī)律的有關(guān)數(shù)據(jù)，在水深對(duì)電弧能量分布的影響以及水流狀態(tài)對(duì)表面綜合散熱條件的影響方面，開(kāi)展水下濕法焊接工藝試驗(yàn)，測(cè)試不同水深下的電弧形態(tài)和綜合散熱系數(shù)；對(duì)于局部干法的高壓電弧模擬方面，這些模擬多是在一些假設(shè)條件下進(jìn)行的，這些假設(shè)都與實(shí)際情況不太相符，影響了模擬的準(zhǔn)確性，未來(lái)高壓電弧模擬應(yīng)結(jié)合熔池區(qū)金屬流動(dòng)和熔滴過(guò)渡對(duì)電弧的影響來(lái)建立模型。

(2)對(duì)于水下焊接殘余氫的模擬方面，未來(lái)應(yīng)結(jié)合焊接殘余應(yīng)力、不同組織對(duì)氫擴(kuò)散的影響，將溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)作為預(yù)定義載荷加載到氫擴(kuò)散模型中，模擬較為實(shí)際的氫擴(kuò)散過(guò)程，建立焊接氫致裂紋的定量判據(jù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)水下焊接氫致裂紋的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)。

(3)對(duì)于水下焊接溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬，需要結(jié)合熱源的形狀和能量分布特點(diǎn)、焊件的散熱條件，以及金屬的熔化、凝固和相變引起的潛熱變化等方面，改進(jìn)已有模型，提高數(shù)值模擬的精度。

(4)加強(qiáng)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在水下自動(dòng)焊接研究中的應(yīng)用，完善水下焊接機(jī)器人的功能，開(kāi)展水下機(jī)器人自主定位、焊縫位置檢測(cè)、跟蹤技術(shù)以及水下焊接質(zhì)量控制等方面的工作，盡早實(shí)現(xiàn)焊接機(jī)器人從事完全的水下焊接活動(dòng)。

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2017-02-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51505267,51305245)；山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2014EEP016)；山東省科學(xué)院青年基金資助項(xiàng)目(2013QN043)；青島市應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(15-9-1-53-JCH)。

TG422

張琳琳，1980年出生，碩士，工程師。主要從事水下焊接及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究工作，已發(fā)表論文10余篇。