電阻點(diǎn)焊過(guò)程數(shù)值模擬與仿真分析技術(shù)

2013-06-21  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

電阻點(diǎn)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè),特別是汽車(chē)制造業(yè)。具不確切統(tǒng)計(jì),一輛小轎車(chē)的殼體制造就需5000-10000個(gè)焊點(diǎn)。然而,點(diǎn)焊完成的時(shí)間很短,大約在0.2s左右完成。因此,依靠試驗(yàn)的方法研究其過(guò)程行為具有很大的難度。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值模擬方法已成為分析電阻點(diǎn)焊過(guò)程機(jī)理的重要手段。國(guó)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(duì)點(diǎn)焊過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算,取得了很大的進(jìn)展[1-10]。但這類(lèi)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(cuò),也因?yàn)槿狈δ芡晟频暮筇幚砥?也給推廣使用帶來(lái)了很大困難。

科學(xué)計(jì)算可視化涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)及人機(jī)交互等多個(gè)領(lǐng)域,是當(dāng)前計(jì)算機(jī)應(yīng)用新技術(shù)的熱點(diǎn)之一[10]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,工程領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)研究工作越來(lái)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(chǎng)量的分布情況?？茖W(xué)計(jì)算可視化技術(shù)憑借現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的圖形能力把計(jì)算過(guò)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(dòng)態(tài)畫(huà)面,從而幫助人們有效的理解計(jì)算數(shù)據(jù),從繁瑣的數(shù)據(jù)后處理中解放出來(lái)。

本文介紹了自主開(kāi)發(fā)的電阻點(diǎn)焊過(guò)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(zhǎng)大等、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、可視化技術(shù)等。

    1系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)

按照可視化軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)的操作有兩種途徑,一是通過(guò)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(jì)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(jì)算模塊單獨(dú)另置。位于此系統(tǒng)中的每個(gè)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(yǔ)言獨(dú)立實(shí)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(qiáng)大的,它專(zhuān)門(mén)定義了一組圖形對(duì)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(duì)象、部件可以方便的繪制各種常用的圖形,通過(guò)設(shè)置其屬性,還可改變圖形的不同風(fēng)格。對(duì)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(lèi)即可實(shí)現(xiàn)。DC類(lèi)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(shí)現(xiàn)方法外,還涉及到設(shè)備坐標(biāo)(如顯示器屏幕等)與實(shí)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(gè)方面。

    2有限元數(shù)值計(jì)算技術(shù)

電阻點(diǎn)焊過(guò)程是一個(gè)高度非線性的多因素耦合過(guò)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(duì)稱(chēng)模型研究點(diǎn)焊過(guò)程電、熱、力行為的相互作用,還考慮到接觸電阻等因素對(duì)點(diǎn)焊熔核形成過(guò)程的影響[10]。

在點(diǎn)焊有限元分析程序設(shè)計(jì)中,關(guān)鍵技術(shù)是電極與工件,工件與工件的接觸問(wèn)題處理。本程序采用彈簧單元處理接觸問(wèn)題,當(dāng)彈簧的接觸力小于或等于零時(shí),判斷為分離,當(dāng)彈簧力大于零時(shí),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(diǎn)的電阻率的變化模擬界面電阻。程序設(shè)計(jì)中進(jìn)行了耦合計(jì)算,考慮了接觸面積對(duì)電流強(qiáng)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(duì)接觸面的影響等[5-8]。

程序設(shè)計(jì)采用Fortran語(yǔ)言。此語(yǔ)言因其高精度的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和計(jì)算結(jié)構(gòu),成為分析計(jì)算類(lèi)軟件的經(jīng)典編程語(yǔ)言,如著名的大型有限元分析軟件ANSYS就采用了FORTRAN77語(yǔ)言。然而,Fortran語(yǔ)言畢竟是一種面向過(guò)程的語(yǔ)言,其人機(jī)交互及圖形處理能力并不理想,而面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言VC++則正好可以彌補(bǔ)Fortran語(yǔ)言在這兩方面的不足。因此,采用VC++語(yǔ)言開(kāi)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(yǔ)言獨(dú)立開(kāi)發(fā)數(shù)值計(jì)算程序,再運(yùn)用一定的方法將它們連接為一個(gè)有機(jī)的整體。其中,進(jìn)程間通訊是這類(lèi)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(gè)概念,是應(yīng)用程序的運(yùn)行實(shí)例,是應(yīng)用程序的一次動(dòng)態(tài)執(zhí)行?？梢酝ㄟ^(guò)Win32API函數(shù)::CreateProcess()創(chuàng)建一個(gè)新進(jìn)程,調(diào)用此函數(shù)的進(jìn)程稱(chēng)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(kāi)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(duì)稱(chēng)熱彈塑性大變形點(diǎn)焊過(guò)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(dòng)子進(jìn)程,從而實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)焊過(guò)程有限元分析系統(tǒng)的前、后置模塊與模擬計(jì)算模塊的集成。該方法編程簡(jiǎn)單、思路清晰且程序的運(yùn)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(duì)于保證模擬計(jì)算系統(tǒng)的性能至關(guān)重要。對(duì)建模過(guò)程的基本要求是簡(jiǎn)便、快捷,而交互技術(shù)必不可少。交互界面設(shè)計(jì)的優(yōu)劣關(guān)乎整個(gè)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(zhuān)注于自己的目標(biāo)任務(wù)。VisualSSRSW系統(tǒng)是一個(gè)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(shí)體及網(wǎng)格單元。

前置處理模塊的主要功能是建立求解對(duì)象的模型,定義相應(yīng)的材料屬性,確定場(chǎng)域中各子域的空間位置及形狀參數(shù),并自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分,從而為模擬計(jì)算做好準(zhǔn)備。VisualSSRSW系統(tǒng)前處理的初始化參數(shù)包括點(diǎn)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(duì)場(chǎng)域采用四節(jié)點(diǎn)四邊形等參元進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)剖分,對(duì)計(jì)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(duì)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(chǎng)域問(wèn)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(jì)算模塊接口的前處理文件。圖形操作子模塊可以對(duì)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(dòng)劃分。

點(diǎn)極類(lèi)型
尺寸參數(shù)化	公稱(chēng)直徑D; 工作面直徑D1 ; 工作面圓弧半徑R1 ; 過(guò)渡圓弧半徑R	公稱(chēng)直徑D; 工作面直徑D1 ; 工作面圓弧半徑R1	公稱(chēng)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(jì)

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(chǎng)和標(biāo)量場(chǎng)兩大類(lèi)。矢量場(chǎng)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(chǎng)有溫度、應(yīng)力應(yīng)變的某一方向等,

本文對(duì)有限元計(jì)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(diǎn)焊熔核長(zhǎng)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(diǎn)焊熔核的長(zhǎng)大過(guò)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(gè)網(wǎng)格各點(diǎn)的變形圖都繪制出來(lái),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(diǎn)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(shí),會(huì)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(lái)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L(zhǎng)Y12CZ鋁合金,板厚1.0mm薄板在電極壓力2.5KN條件下,焊接電流對(duì)的熔核形成與長(zhǎng)大、電極位移的影響。計(jì)算結(jié)果很好的模擬了實(shí)際熔核形成長(zhǎng)大與電極位移的變化過(guò)程。

圖4點(diǎn)焊熔核長(zhǎng)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(diǎn)焊過(guò)程各時(shí)刻溫度、電勢(shì)、應(yīng)力應(yīng)變及位移等場(chǎng)量的分布情況,系統(tǒng)可以繪制上述各場(chǎng)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(gè)網(wǎng)格單元追蹤每條等值線,獲取各條等值線在其所穿過(guò)的單元的棱邊上的坐標(biāo)值。將這些坐標(biāo)值存儲(chǔ)在動(dòng)態(tài)數(shù)組或鏈表之中,連接各坐標(biāo)點(diǎn)即可繪制出等值線圖。彩色云圖綜合運(yùn)用單元填充法和掃描線法繪制。對(duì)遠(yuǎn)離點(diǎn)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(duì)于處于點(diǎn)焊內(nèi)熱源附近的單元,由于場(chǎng)量值變化很劇烈,因此有必要深入單元的內(nèi)部由插值計(jì)算的場(chǎng)量值對(duì)應(yīng)的顏色繪點(diǎn),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(shí)場(chǎng)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(diǎn)焊溫度場(chǎng)的等溫線圖;圖7為電阻點(diǎn)焊電勢(shì)場(chǎng)的彩色云圖。

圖6點(diǎn)焊溫度場(chǎng)等溫線圖

圖7點(diǎn)焊電勢(shì)場(chǎng)彩色云圖

    5結(jié)論

本文介紹了自主開(kāi)發(fā)的電阻點(diǎn)焊過(guò)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(kāi)發(fā)的電阻點(diǎn)焊過(guò)程模擬系統(tǒng)VisualSSRSW具有如下特點(diǎn):完全可視化的前處理建模過(guò)程,用戶以圖形界面方式輸入點(diǎn)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)格的自動(dòng)剖分;可視化的后置處理方式多樣,便于對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析處理;實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立開(kāi)發(fā)的數(shù)值計(jì)算模塊與系統(tǒng)的前、后置處理模塊的集成。

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