【焊接仿真】热源理解和使用的五大误区

笔者最近刚刚参加完工信部组织的《智能制造培训班》，再一次近距离聆听工信部专家组成员和行业内大咖解读十四五规划中的智能制造与数字化转型，受益良多。在2018版的《国家智能制造标准化建设体系指南》中，对整体的智能制造体系有了新的规划。如图1：

图1  国家智能制造标准化建设体系指南框架图

在新的制造制造指南中，可以看到很多内容，大多数内容涉及面太广，不便于在此展开。我们重点看中间的，将智能设计、智能生产、智能管理、智能物流、智能优化涵盖在内，这部分内容将是智能工厂的核心。

多位专家也反复强调，在工业4.0的建设过程中，仿真环节必不可少，少了仿真环节，就不是智能过程。这部分的论断，对于像我这样专注偏工艺的CAE技术人员来说，是一个积极的肯定（因为让我的领导听到了，你懂得）。

言归正传，在众多的仿真分支中，焊接仿真一般是偏工艺方向的仿真，一般不在设计的仿真范畴之内，所以焊接仿真一直在各大主机厂中（仅仅是我所接触过的，不代表全部）是一个特殊的存在，说完全没有不对，说有吧，又是游离在流程之外的，比较尴尬。好在我们暂时可以不关注这些，专心做仿真，时间会给我们证明我们的价值！

本文所讲的内容正是这个比较难缠的焊接仿真问题。图2是我想给大家大致说明下焊接的场景问题。对于很多做焊接的人来说，工程师一般好点，但是对于好多的同学而言，我了解到的是根本没有见过真正的焊接，就开始做仿真，这是有问题的。

焊接过程是一个比较的复杂的过程，就焊接现象而言，是焊工利用手中的焊枪，将焊丝填充到两个要连接的零件之间，利用电生热原理，将电能转化成热能，熔化填料和母材，将母材连接在一起。这个说法不太严谨，但是我觉得有助于帮助大家理解焊接过程。

图2  焊接场景

对于焊接过程，我们可以发现涉及了三个过程，电场、温度场和应力场。对于大多数弧焊而言，电场可以忽略，仅考虑温度场和应力场。但是对于电阻焊而言，三者必须同时考虑，这就给有限元带来了很大的困难。增加一个场不仅仅是增加一个未知数那么简单的问题，会涉及到非常复杂的非线性问题。笔者最近使用abaqus做了一个电阻焊的case，电阻焊的收敛问题真是头疼的很。

正如上述，做弧焊要相对简单，目前的绝大多数焊接都是只考虑温度场和应力场。应力场很好理解，那么温度场怎么做呢？我们如果稍微了解传热的理论的话，就知道传热的过程就是一个偏微分方程问题。对于物理模型来说，就是热传导、热辐射、热对流问题。这里面的核心就是热源！

图3  焊接过程的数值转化

焊接的过程是一个动态过程，所以我们要考虑两个问题，一个是热源的形状，一个是热源的移动。热源的形状是一个数学问题，热源的移动是一个程序问题。

图4  双椭球热源模型

在解决热源形状的过程中，出现了很多的专家，目前最常用的就是双椭球热源，关于这个热源的理解和使用目前存在很多的误区：

1、正确理解双椭球的“双”字。这个双代表这这其实是个复合热源，由两个椭球热源各自拿出一半组合起来的。主要为了解决在焊接过程中前后半区无论在热输入还是在能量上不一致的问题。

2、正确理解椭球的概念。为什么是椭球，椭到什么地步，是由他的形状函数来表示的。就是公式中的exp（）内容。建议你可以将焊缝中心和远离焊缝中心的坐标带进去，看看结果是这么。如果你多做一些，多比一些，好多问题都可以解决，比如最复杂的坐标转化问题。

3、正确理解b和c。这两个参数一个是熔池宽度，一个是熔池深度。这个通常建议和实际的焊缝熔合线一致。我接触到的一些同学对这个完全没有概念，这个就比较难办了，还是建议补补课。正确理解了b和c，就可以知道，我们在做单元的时候，就要保障在b和c的范围内有足够的单元，才能保障温度场分布较为均匀。为了避免误导大家，这里还是建议大家自己尝试下，用什么样的单元尺寸最合适，自己试验出来的肯定最美妙了。

4、正确理解耦合场的概念。由于热源是移动的，所以他每移动一次，都要进行一次解耦计算，因此焊接的分析一般很费时间，他的计算成本也比一般的高，一定要做好心理准备。另外，这个分析比较吃CPU主频，不太吃多核。

5、关于热源的定义，不同软件有不同的做法。以为常用的为例，abaqus一般采用子程序的方法，marc内置了部分热源的模块，内置模块解决不了的，依旧要通过子程序来解决。无论哪种，其实质都是提供一个可以以时间为自变量的可以移动的热源。