GBZ28283-2012热加工工艺仿真与模拟技术导则.pdf 15页

'ICS25．020J30a雪中华人民共和国国家标准化指导性技术文件GB／Z28283--2012热加工工艺仿真与模拟技术导则Guideforsimulationandmodelingofthermalprocessing2012-05—11发布2012-12-01实施宰瞀徽鬻瓣警矬瞥星发布中国国家标准化管理委员会议19 中华人民共和国国家标准化指导性技术文件热加工工艺仿真与模拟技术导则GB／Z28283--2012中国标准出版社出版发行北京市朝阳区和平里西街甲2号(100013)北京市西城区三里河北街16号(100045)网址www．spc．net．cn总编室：(010)64275323发行中心：(010：151780235读者服务部：(olo)68523946中国标准出版社秦皇岛印刷厂印刷各地新华书店经销*开本880×12301／18印张1宇数25千字2012年8月第一版2012年8月第一次印刷*书号：155066·卜45303定价18．00元如有印装差错由本社发行中心谓换版权专有侵权必究举报电话；(010)68510107 刖昌GB／Z28283--2012本指导性技术文件按照GB／T1．1—2009给出的规则起草。本指导性技术文件由中机生产力促进中心提出。本指导性技术文件由全国技术产品文件标准化技术委员会(SAC／TC148)归口。本指导性技术文件的主要起草单位：中机生产力促进中心、先进成形技术与装备国家重点实验室、清华大学。本指导性技术文件的主要起草人：丁红宇、金泉林、张艳姝、曾攀、林峰、张秀芬、刘伟。 标准分享网www.bzfxw.com免费下载1范围热加工工艺仿真与模拟技术导则GB／Z28283--2012本指导性技术文件规定了热加工工艺仿真与模拟技术的含义、尺度划分原则、主要功能、主要内容，提出精度和速度、物理模拟及精确测试、集成方面的共性要求，并给出了铸造、锻压以及焊接工艺仿真与模拟的主要技术内容、主要步骤以及关键因素的说明。本指导性技术文件适用于从事材料热加工工艺仿真与模拟技术的研发、应用与评估。2热加工工艺仿真与模拟概述热加工工艺仿真与模拟技术是指应用模拟仿真、试验测试等手段，针对金属材料铸造、锻压、焊接、热处理及非金属材料注塑等热加工过程，在拟实的环境下模拟材料加工工艺过程，显示材料在加工过程中形状、尺寸、内部组织及缺陷的演变情况，预测其组织性能质量，达到优化工艺设计技术的总称。它涉及的主要技术包括：a)热加工过程的数值模拟通过建立能准确描述某一热加工工艺过程的数理模型及对数理方程的简化求解，动态显示该过程并预测其结果。b)热加工过程的物理模拟是一种必要的验证方法。它是按照相似原理，采用相同或相似的材料制成试样，在相似的条件下进行试验，得出工艺过程的有关规律和数据、判据，并检验、校核数值模拟的结果。c)专家系统把相关的专家知识按一定的逻辑结构表示成计算机能够利用的形式以优化工艺参数和设计。一般包括知识库、逻辑推理判断系统及人机接口3个核心部分。由于热加工影响因素十分复杂，所以它也是数值模拟的一个有效补充。d)热加工过程的基础理论及缺陷形成分析它是准确地建立过程数理模型，得到缺陷科学判据的技术基础。3热加工工艺仿真与模拟的尺度划分分为宏观(rara-m级)、微观(p-m-mm级)、原子(nm一,um级)3个不同的模拟尺度——宏观(mrn-m级)一般以预测形状、尺寸等轮廓的宏观尺度为目的。——微观(Pm-mm级)一般以预测组织、结构、性能为目的。——原子(nzn-p-m级)一般以预测组织、结构、性能为目的。4热加工工艺数值模拟的主要功能4．1动态模拟工艺过程形象地显示各种工艺的实施过程及材料形状、轮廓、尺寸、缺陷、组织的演变情况。 GB／Z28283--20124．2预测工件的组织性能质量预测在不同工艺条件下材料经成形改性制成零件后的组织性能质量，特别是能找出易发缺陷的成因及削除方法。4．3优化工艺设计通过在虚拟条件下调整不同的工艺参数，得出最优工艺方案。可将传统工艺设计时优化工艺的途径(修改模具或修改图样)改为在计算机上修改构思的处理方法。5热／JⅡTT艺数值模拟的主要内容热加工工艺数值模拟主要包括前处理、模拟分析计算和后处理三部分内容。5．1数值模拟的前处理前处理的任务是为数值模拟准备一个初始的计算环境及对象。主要包括三维造型和网格剖分。5．1．1三维造型将模拟对象(铸件、锻件、焊接结构件等)的几何形状及尺寸以数字化方式输人，成为模拟软件可以识别的格式。由于目前已有商品化造型软件推出，除特殊情况外，一般可采用商品化软件，如Pro-E、UG、AutoCAD、Solidedge、Solidworks等作为模拟的软件平台，进行前处理。5．1．2网格剖分按模拟功能的精确度，将实体造型分成一定形状、细度的单元。单元划分越小，模拟的精确度越接近微观。5．2模拟分析计算5．2．1概述模拟分析计算是数值模拟的核心。按其功能，主要包括宏观模拟仿真、微观组织及缺陷的模拟仿真、多种物理场的耦合计算。5．2．2宏观模拟仿真5．2．2．1概述宏观模拟仿真是模拟热加工过程中材料形状、轮廓、尺寸及宏观缺陷(变形、缺肉、皱折、缩孔、气孔、夹渣等)的演化过程及最终结果。为达到上述目的，需建立并求解以下一些物理场的数理方程。5．2．2．2温度场是进行热加工过程数值模拟最重要的物理场。可以直接预测铸件的凝固前沿及缩孔缩松的位置及大小，同时它也是其他所有物理场的计算基础。5．2．2．3应力／应变场——位移场是建立在弹塑性力学基础上的物理场。主要用于模拟金属的塑性成形过程及充不满(缺肉)、皱折、孔洞等缺陷的产生，同时可预测铸件、焊接件的应力分布及变形、裂纹等缺陷。一般采用有限元法求解。2 标准分享网www.bzfxw.com免费下载GB／Z28283--20125．2．2．4流动场——压力场、速度场建立在流体力学基础上的流动场(压力场、速度场)，是模拟铸件充型过程的重要模型，用于预测铸件的冷隔、卷气、夹渣、冲砂等缺陷，优化浇注系统。5．2．3微观组织及缺陷的模拟仿真5．2．3．1概述微观组织及缺陷的模拟仿真是模拟热加工过程中材料微观组织(枝晶生长、共晶生长、粒状晶等轴晶的转变、晶粒度大小、相转变等)及微观尺度的缺陷(混晶、偏析、氢致裂段等)的演变过程及结果。描述微观组织及缺陷演变的模型主要有随即统计模型、相场方法、相变场、特有缺陷预测模型。5．2．3．2随机统计模型有MonteCarlo法和CellarAutomaton法，主要用于液一固转变时晶粒组织形成及生长的模拟。5．2．3．3相场方法通过微分方程反映液一固转变时扩散、有序化势及热力学驱动力的综合作用，可对金属液的凝固过程及组织的形成、生长进行真实的模拟。5．2．3．4相变场是模拟金属热处理中组织转变的数理模型。要综合考虑相变与温度(相变潜热)、应力(应力诱发相变，相变应力及相变塑性的发生)的相互关系及影响。5．2．3．5特有缺陷预测模型热塑性加工过程晶粒度演变的动态再结晶模型(预测大锻件的混晶)、焊接过程局部氢浓度集聚扩散模型(预测氢致裂纹)等。5．2．4多种物理场的耦合计算对各种物理场及方法进行局部或系统耦合。首先是宏观模拟层次中各种物理场的耦合，其中温度场是建立其他各种物理场的基础，常见的耦合有：温度场一一应力／应变场、温度场一一流动场。再次是把描述热加工过程宏观现象的连续方程(温度场、应力／应变场、速度场等)与描述微观组织演变的模型进行耦合，如：温度场一一相变场、应力／应变场一一相变场、温度场一一统计模型、温度场一一相场、温度场一一应力／应变场微观缺陷预测模型等多种宏、微观模型之间耦合。5．3数值模拟的后处理后处理的任务是将数值模拟的结果、输出具有工程含义、用于指导工艺分析的图形图像和三维过程动画，即动态可视化。其中包含了制造中所需的工装设计基本有效模型。6热加工工艺数值模拟的精度和速度数值模拟的精度和速度是影响数值模拟的重要因素，在选择和应用热加工工艺数值模拟时需考虑精度和速度是否能够满足要求。3 GB／Z28283--20127热加工工艺物理模拟及测试物理模拟是揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、校核数值模拟结果的有力手段。在进行物理模拟时，应遵循以下要求：a)应设计、开发或选用适用的物理模拟实验方法及装置；b)应正确、合理处理数值模拟与物理模拟(含实验验证)之间的关系；c)应根据模拟对象，合理确定两者的应用比例；d)应注重基础数据的测试，包括工件及模具(或铸型、介质、填充材料等)材料的热物性参数、高温力性参数、几何参数、本构参数、接触、摩擦、界面间隙、气体析出、结晶潜热等各种初始条件、边界条件的数据；e)应对预知和非预知风险做出分析。8热加工工艺仿真与模拟技术的集成在热加工工艺仿真与模拟技术的应用中，应注重与其他系统的集成。集成一般包括以下3个方面的集成：a)与产品、模具cAD／cAE／CAM系统集成；b)与零件加工制造系统集成；c)与零件的安全可靠性能预测集成。 标准分享网www.bzfxw.com免费下载附录A(资料性附录)铸造工艺仿真与模拟技术总则A．1铸造工艺仿真与模拟技术主要内窖GB／Z28283--2012铸造工艺仿真与模拟技术主要包括铸件凝固过程的数值模拟、铸件充型过程的数值模拟、铸件热应力的数值模拟、铸件微观组织数值模拟等。A．1．1铸件凝固过程的数值模拟铸件凝固过程的数值模拟是通过计算温度场的温度梯度、固相率凝固时间等，用一系列准则来预测铸件在凝固过程中产生缩孔缩松的部位及大小、产生的时间等。通过这种预测可对所制定的铸造工艺方案进行修改，再通过数值模拟进行验证。同时，利用凝固数值模拟的方法可确定获得健全铸件时内浇口与铸件的关系。A．1．2铸件充型过程的数值模拟铸件充型过程的数值模拟是通过计算金属液充型过程中的流体流动得出的。充型过程的数值模拟可以分析在给定工艺条件下，金属液在浇注系统中以及在型内的流动情况。包括：流量的分布、流速的分布以及由此而导致的铸件温度场。这种模拟可以为后来的凝固分析提供正确的初始条件。A．1．3铸件热应力的数值模拟铸件热应力的数值模拟是通过对铸件凝固过程中热应力场的计算、冷却过程中残余热应力的计算来预测热裂纹敏感区和热裂纹的。铸件应力的形成不仅影响铸件最终的质量和使用效果(裂纹变形等)，而且影响工艺设计的质量(收缩量的准确给定等)。铸件在给定工艺下的应力分布模拟有助于通过修改工艺，将铸件产生应力的可能降低到最低限度，从而保证铸件的质量。A．1．4铸件微观组织数值模拟铸件微观组织数值模拟是计算铸件凝固过程中的成核、生长等，以及凝固后铸件的微观组织和可能具备的性能。在微观组织模拟中，用宏观传热、传质与微观形核、生长相统一的数学模型，来描述微观组织形成的动态过程。包括：自发或非自发成核、晶粒长大、枝晶生长、二相质点的分布等。A．2铸造工艺仿真与模拟技术的主要步骤铸造工艺仿真与模拟技术应用时的主要步骤可分为以下3个阶段。A．2．1前置处理根据实际物体的结构和形状建立实体模型，并自动剖分为多面体单元。一般来讲，对于形状简单的铸件，通常采用二维的方法近似地进行数值模拟就可得到较为精确的结果。而对于结构复杂的铸件，则需三维模拟计算才能满足精度的要求。 GB／Z28283--2012A．2．2中央处理中央处理是数值模拟的核心，通过数值模拟计算法对热平衡方程进行解析和缩孔缩松的预测判断，同时也可通过求解Navier-Stokes方程来模拟充型过程等。A．2．3后置处理后置处理是将计算的结果经分析后通过彩色图形或图象等方式动态地表示出来。如用二维方式显示铸件某一断面或某点的温度一时间动态曲线图，用三维方式显示铸件的温度变化、缩孔缩松的形成或是反映铸件的应力场分布等，使得设计者可以很快得到在此工艺条件下所生产铸件的质量，并通过模拟结果对工艺进行修改，以满足铸件质量的要求。 附录B(资料性附录)锻压工艺仿真与模拟技术总则B．1锻压工艺仿真与模拟技术主要内容GB／Z28283--2012锻压工艺的模拟实质上就是在已知工件坯料几何形状、边界条件、初始条件及工件材料的所有一切参数的条件下用有限元方法求解这一组微分方程。B．2锻压工艺仿真与模拟技术的主要步骤通常以变形体的节点速度和温度为求解变量。考虑成形过程中的某一时刻、当变形体的速度场和温度场解出以后，通过积分可以得到变形体的位移场及变形体现时的各点坐标。据此由几何方程可进一步计算出变形体的应变率。再用材料的本构方程由初始微观组织、温度、应变、应变率计算出应力；用微观组织的演化方程由初始微观组织、应变、应变率和应力计算出现时的微观组织变化。由边界的应力可以求得模具所受到的压力以及所需要的压机载荷。如果计算中将模具和锻件坯料都算作变形体，则模具的温度和变形可同时求得。如果在计算中加进去材料的破坏准则，在计算应力和应变时可以用破坏准则去判断现时的应力应变是否达到了破坏的程度以及发生何种破坏。对于模锻，在合模后由工件的坐标和模具的位置可以知道是否有模具未充满和折叠缺陷。B．3影响锻压工艺仿真与模拟技术的关键因素B．3．1材料的本构关系当有限元算法确定后，模拟软件中所使用的材料本构关系与实际模拟的材料的真实性能的差别大小就是影响模拟精度的关键因素。弹塑性或刚塑性本构关系可以满足冷锻和温锻工艺模拟的常规要求。但是对于那些成形过程中伴随有微观组织变化的情况(如热锻、超塑性成形)使用这种传统的本构关系便会产生很大的误差。例如热锻中动态再结晶的发生将引起应力软化，因此使用传统的本构关系模拟热锻甚至会引起计算出的应力变化趋势错误。在这种情况下由于微观组织与宏观变形产生强烈的耦合。必须使用考虑微观组织与宏观变形耦合的本构关系，并要给出微观组织的演化方程。B．3．2材料本构参数的测试方法给出正确的本构方程之后，需要通过试验测得这些包括在本构方程中的材料参数。对于传统的弹塑性／l目lJ塑性本构关系，通常采用简单应力状态试验(拉伸、压缩、扭转等)来测试其中的材料参数。使用这种方法的基本要求是试样内应力、应变和温度均匀。不均匀性越大测出的材料参数误差越大。在高温条件下当考虑微观组织变化时，要做到试样内微观组织完全均匀是很困难的，但是由于微观组织变化与宏观变形之间的非线性相关，微观组织空间分布的很小的差异会引起宏观应力应变的很大差别，同样宏观变形的不均匀性也会引起微观组织更大的不均匀。因为这种情况下试样的变7 GB／Z28283--2012形已不是简单应力状态，而应看作为一个复杂结构。应采用试验与有限元相结合的分步迭代法来实现从一个复杂结构变形的试验结果反算出材料的本构参数。试验与有限元相结合的分步迭代法的收敛判据是有限元计算结果与试验结果之差小于某个小的常数。这种方法是首先用传统的方法由试验结果计算出材料参数的初始值。然后代人有限元程序中模拟试验过程，并根据计算结果与试验结果之差去修正这些参数。与普通的数值法、迭代法相比，由于各参数对试验结果各物理量的影响关系十分复杂，因此需要考虑修正公式的复杂性。B．3．3接触边界的处理和计算方法与一般的结构分析相比，锻造工艺模拟的特点是：工件与模具的接触边界是随时间变化的。这种接触边界的处理和计算涉及摩擦机理、接触与脱离搜索方法及判断准则、法向接触力计算方法等几个方面。应合理应用接触问题算法、自然曲面和B样条曲面等来解决。在三维模拟软件中，通常模具表面的几何形状用很多平面网格逼近，这种方法虽然接触判断计算简单，但是因模具形状描述越精确要求网格越密，因此接触搜索所需要的计算机时也就越多。对于复杂形状的工件，工件的有限元网格和模具网格都很多时，在零件成形的后期，甚至出现处理接触边界的机时超过每一个时间步长所需总机时的一半。采用自然曲面和B样条曲面共同描述模具表面，可减少描述模具表面的网格数，缩减接触搜索的时间，并且使法线连续变化消除接触锁住现象。在搜索技术方面，可采用全局搜索、局域搜索等方法。摩擦接触力算法可采用罚函数法、Lagrange乘子法等多种算法。在摩擦机理方面，可采用基于库仑定律的分段描述修正方法。B．3．4网格生成和重划分算法有限元的自身特点决定了变形体网格的质量对计算精度影响很大。因此在金属成形模拟的整个过程中应保障网格质量。但是由于锻件形状的多样性和复杂性，以及金属成形的大变形特征，针对工件初始网格生成和变形过程中对畸变过大的网格进行重新划分的方法就成为必要，特别是对于三维体积成形模拟问题。四面体单元的特点是网格发生和重划分算法比较简单，对复杂形状边界表面协调性好，但是计算精度低。六面体网格目前存在多种六面体网格生成算法，如立方体填充法，由四面体网格到六面体网格的单元转换法，和由实体表面向实体内部逐层生成法。填充法能实现自动化且效率高，但边界上的单元质量差。单元转换法也可实现自动化，缺点是网格质量差。B．4锻造工艺模拟应用中的补偿方法应该注意现行商业软件的预报与实际金属成形工艺存在的差距。面对在这种情况，应注意对现有软件的缺陷进行补偿。B．4．1重视输入数据的正确性用户所输入的原始数据对最终模拟结果影响很大。为了减少输入数据所引起的误差，用户必须十分重视这些基础数据的准确性。例如，为了获得准确的摩擦边界数据，应该针对所研究的项目进行专门的摩擦实验测量摩擦系数。为了给数值模拟中的开裂准则准备原始数据，应该进行材料成形性能实验。近期的研究表明材料的传热系数与材料所受的压力有关，因此这个参数应该通过加压试验测量出来。8 如上所述，对于考虑微观组织变化的热锻模拟，应该特别注意使用正确的测试方法。B．4．2实验补偿法GB／Z28283--2012应该准确了解模拟软件的功能，并据此实事求是地确定数值模拟的目的。对于软件无能为力的问题配以实验研究。例如，在模拟一个复杂的，特别是多道次的锻造工艺之前，应事先专门设计一个简化了的单道次工艺并对它用实验方法和数值方法同时进行模拟，以此确定模拟计算的误差并找出合适的输人参数。最后再甩有限元模拟方法进行实际多道次工艺模拟。B．4．3理论分析补偿法这种方法要求用户根据所模拟的工艺过程、模拟软件的基本原理和主要计算方法、通过理论分析估算哪类数据可能产生误差，产生多大误差，以便在使用计算结果时扣除误差的影响。还可以分析出误差产生的原因并通过调整输入数据或使用用户子程序来消除计算误差。例如，当软件中所给的材料模型不适合自己的材料时，可以通过用户子程序输入自己所建立的材料模型。 GB／Z28283--2012附录C(资料性附录)焊接工艺仿真与模拟技术总则C．1焊接工艺仿真与模拟技术主要内容焊接工艺仿真与模拟就是通过相关软、硬件系统，在焊接工艺进行之前对结构变形和内应力进行计算，通过调整焊接参数、焊接工艺、焊接顺序、焊接位置、约束条件和材料等优化最终的焊接结果。具体包括变形模拟、应力模拟、结构碰撞模拟、冲压模拟、冷裂模拟、产品寿命模拟等。C．1．1变形模拟在焊接过程中，热膨胀与收缩伴随着金相转变而发生，使得结构的体积发生了变化。从而导致焊接过程和焊后焊件的结构变形。变形的程度取决于焊接参数、焊接工艺、焊接顺序、焊接位置、约束条件和材料的冶金过程，所有这些因素都可以进行模拟。用户可以在焊接工艺进行前，优化焊接过程，得到一个最小变形量的设计方案。c．1．2应力模拟焊接过程的热效应引发热应力(结构膨胀与收缩)，同时金相变化也引发内应力(相变导致体积变化)。这样焊缝处会出现非常复杂的、多轴内应力的结果。内应力也取决于焊接参数、焊接工艺、焊接顺序、焊接位置、约束条件和材料的冶金过程。可以在焊接进行之前通过模拟仿真评估这些因素的影响和优化焊接工艺。c．1．3结构碰撞模拟在结构受载和碰撞时，通常焊接的焊缝或焊点最容易发生破坏。通过模拟仿真可以对部件的焊缝和热影响区进行精密计算，同时还可以在计算完了内应力和金相的结构上根据实际情况进行加载，从而分析其具体的破坏形式。焊接模拟的结构也可以耦合到一些大型结构的碰撞软件中进行碰撞模拟，不论是点焊还是扩散焊都可以适用。c．1．4冲压模拟在许多工业上，经常使用等厚或不等厚的材料焊接在一起然后进行冲压，这些材料可以相同也可以不同。采用模拟仿真，可以把焊接模拟的内应力和冶金特性作为初始条件加载到冲压模拟软件中，激光拼焊钢板的冲压是最典型的应用。c．1．5冷裂模拟冷裂发生在熔化材料的冷却过程。冷裂的温度范围是指从室温到熔化温度(例如钢是从20℃到1480℃)。冷裂的主要原因是由于局部塑性应变或应力超越了屈服强度，而屈服强度又取决于温度和相。促使冷裂发生的主要影响因素是焊接和局部结构硬化。可以通过模拟仿真来评估冷裂是否发生以及发生的程度。c．1．6产品寿命模拟对于焊件的焊缝与热影响区，内应力和冶金特性关系到焊件的疲劳与寿命。由于铁素体非常柔软1o GB／Z28283--2012而马氏体很硬而脆，其对产品的寿命有直接的影响。通过模拟仿真，可以对焊接的内应力和金相结构进行预测，并可以将这些结果直接应用于产品寿命计算与分析。推荐使用Verity方法进行焊接结构寿命模拟。c．2焊接工艺仿真与模拟技术主要步骤c．2．1焊接模型的建立为了准确而有效地进行模拟和表征物理问题，焊缝及其周边影响区域应该利用细致的网格，殳f分为体元素网格，以满足对物理现象的详细描述；而离焊缝较远的区域，特别是薄壁结构可划为壳元素网格，这样处理将简化模型，使得模型建立和计算更加迅速。划分网格之前，对CAD模型进行一些必要的修整是必须的，需要将没有用的或重复的表面删除，将不连续的面缝合在一起，相邻面的边也必须连接在一起。C．2．2热源模型的建立及焊缝变形计算不同的焊接方式能量分布各不相同。所以为了在模拟中得到准确的应力场合温度场，针对不同的焊接方式要建立合适的热源模型。在进行焊接热源模型建立过程中需要考虑热源加载型式、电弧有效半径、焊接速度、对流系数等因素对焊接模拟的影响。焊接热源能量的加载可采用“等效热源法”：首先计算熔池的形状，然后根据熔池的形状将实际供给的热能导人到焊接结构当中去，用来计算内应力与变形，对移动热源的计算也是如此。C．2．3求解结果与分析通过模拟软件处理求解结果中包含的数据信息(如)并显示相应的处理结果。使得设计者可以很快得到在此工艺条件下的焊接质量，并通过模拟结果对工艺进行修改，以满足焊接质量的要求。C．3焊接工艺仿真与模拟技术关键因素C．3．1模拟焊接过程中相关的物理现象焊接过程中将发生很多不同的物理现象，这些物理现象相互影响和制约。各物理现象间的相互作用可以大致描述，如图C．1所示。[二]爱互二]·耗敢熊3f．娃·化学成分·儡析图C．1焊接过程中各物理现象的相互关系对扩散焊的模拟主要基于热力学、冶金和机械分析。点焊和感应淬火则需要应用电磁分析，而淬火、硝化处理和渗碳渗氮等则需要用到扩散与偏析分析。 GB／Z28283--2012C．3．2处理热容与导热性焊接过程中，不仅要考虑典型的热非线性，还要考虑其他一些更复杂的现象。材料的热学性能不仅仅取决于温度，同时也取决于材料中各种相的组分和性质(如奥氏体、铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体和多层焊中的过度马氏体等)。在冶金转变过程中，潜热是一个比较重要的因素，相变过程中的潜热会直接影响到温度场。对模拟计算来说，非线性边界条件，如对流、辐射和一些不定的热接触也是非常重要的。焊接过程中充填材料的影响也必须作为一个变化因素加以考虑和计算。C．3．3力学性质焊接过程中热膨胀与收缩是导致热应力的原因，同时金相转变时会产生附加的相变应力，这些内应力之间会相互影响。在焊接焊缝处则会出现非常复杂的多轴应力的硬化焊缝。模拟仿真软件可以计算同一过程中的相变内应力和热应力。除了典型的热力学影响，钢铁材料的机械性能受到如下条件的影响，且相互作用：——伴随着冶金成分变化而导致的体积变化；——决定于当前相的特殊性质。铁素体钢(如结构钢、碳钢、热处理钢、高温回火钢、耐腐蚀钢和模具钢等)在室温下是体心立方结构。当温度超过某一值时，会发生奥氏体化，原子结构转变成面心立方结构，如果再发生冷却，又转变回体心立方结构。这样原子结构的变化会产生体积的变化，对结构变形、残余应力有着决定性的影响。对于薄壁结构，需关注其焊接后的变形。包含不同相的热膨胀可以通过各相热膨胀计算出来。材料的机械性能与温度直接相关，同时也必须考虑焊接中各相的转变和相的塑性。相变过程中材料性质的变化通常被考虑成弹塑性。马氏体具有很高的抗拉强度但延伸率很小，抗冲击性很差。和马氏体相比，铁素体很软，具有很好的抗冲击能力。根据冷却曲线和相分数，各状态的内应力和结构应变是完全不同的。C．3．4焊接模拟的一些独特性对于一些加热与冷却速率特别快的焊接，如激光焊接，在进行数值计算时由于收敛较困难，必须将计算时间控制在合理的范围内。在焊接和热处理过程中，当材料一旦达到熔化温度，其机械性能就自动消失。这些在焊接模拟中均应充分考虑。版权专有侵权必究*书号：155066·卜45303定价：18．00元¨¨¨¨¨¨¨¨¨¨m■■■■■■■■■I■■■●■●●■■I一●■■■■■■■■■■■■■■■_¨?■■■■■■■■■■■■■■■■_I_￡'