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电阻点焊过程数值模拟与仿真分析技术

2009-09-24 09:36  by:有限元  来源:广州有道有限元

  电阻点焊技术作为一种高效的薄板结构连接方法广泛应用于国民经济的各行各业,特别是汽车制造业。具不确切统计,一辆小轿车的壳体制造就需5000-10000个焊点。然而,点焊完成的时间很短,大约在0.2s左右完成。因此,依靠试验的方法研究其过程行为具有很大的难度。随着计算机技术的发展,数值模拟方法已成为分析电阻点焊过程机理的重要手段。国内外许多学者相继建立各自的数值模型,并普遍采用有限元分析方法对点焊过程进行了模拟计算,取得了很大的进展[1-10]。但这类工作的不足之处是研制软件的前后处理部分,需要收集整理并输入大量的原始数据,这些数据繁琐且容易出错,也因为缺乏功能完善的后处理器,也给推广使用带来了很大困难。

  科学计算可视化涉及计算机图形学、图像处理、计算机辅助设计、计算机视觉及人机交互等多个领域,是当前计算机应用新技术的热点之一[10]。随着科学技术的进步,工程领域的开发研究工作越来越向定量化、精细化的方向发展,工程人员需要更详细的了解结构内部各场量的分布情况。科学计算可视化技术凭借现代计算技术的图形能力把计算过程中产生的数据转变为直观的、易于理解的、以图形或图像形式表示的静态或动态画面,从而帮助人们有效的理解计算数据,从繁琐的数据后处理中解放出来。

  本文介绍了自主开发的电阻点焊过程可视化模拟与分析软件系统VisualSSRSW中采用的关键技术,如接触面、接触电阻、熔核形成和长大等、面向对象技术、可视化技术等。

    1系统设计与实现技术

  按照可视化软件的结构设计的基本要求,从用户与系统交互的角度描述了本软件的结构流程,如图1所示。用户对系统的操作有两种途径,一是通过输入数据参数建立数值模型,系统进行数值计算,然后将结果进行处理并以图形显示的方式反馈给用户;另一方式则可以使用图形操作直接获得可视化信息。图中的A部分构成系统的前处理模块,B部分则是系统的后处理模块,A、B及数据处理部分共同组成了系统的可视化处理模块,数值计算模块单独另置。位于此系统中的每个模块要完成的工作既单纯又明确,且可以采用不同的编程语言独立实现。

图1系统的结构框架图

  VC++在绘图及图像处理方面的功能是非常强大的,它专门定义了一组图形对象和部件用以绘制图形或完成一些基本的图像功能。利用这些对象、部件可以方便的绘制各种常用的图形,通过设置其属性,还可改变图形的不同风格。对于前、后置处理模块中的所要求的功能,VC++设备描述表(DeviceContext)的可重用DC类即可实现。DC类封装了全部绘图方法和大部分GDI函数,一般不需要直接调用Windows的API函数。

  在可视化处理中,除了绘图的实现方法外,还涉及到设备坐标(如显示器屏幕等)与实际坐标的映射关系,以及将设备坐标信息转换为输出数据信息这两个方面。

    2有限元数值计算技术

  电阻点焊过程是一个高度非线性的多因素耦合过程,涉及电、热、力、磁和冶金等诸多方面。目前,数值分析大都采用二维轴对称模型研究点焊过程电、热、力行为的相互作用,还考虑到接触电阻等因素对点焊熔核形成过程的影响[10]。

  在点焊有限元分析程序设计中,关键技术是电极与工件,工件与工件的接触问题处理。本程序采用弹簧单元处理接触问题,当弹簧的接触力小于或等于零时,判断为分离,当弹簧力大于零时,判断为接触。由此确定界面的接触与否。界面电阻的处理为利用靠近界面的单元的最近高斯点的电阻率的变化模拟界面电阻。程序设计中进行了耦合计算,考虑了接触面积对电流强度的影响,考虑了材料常数随温度的变化,以及温度变化对接触面的影响等[5-8]。

  程序设计采用Fortran语言。此语言因其高精度的数据结构和计算结构,成为分析计算类软件的经典编程语言,如著名的大型有限元分析软件ANSYS就采用了FORTRAN77语言。然而,Fortran语言毕竟是一种面向过程的语言,其人机交互及图形处理能力并不理想,而面向对象的编程语言VC++则正好可以弥补Fortran语言在这两方面的不足。因此,采用VC++语言开发有限元分析软件的整体构架及前、后置处理系统,用Fortran语言独立开发数值计算程序,再运用一定的方法将它们连接为一个有机的整体。其中,进程间通讯是这类方法中的一种行之有效的连接方法。

  进程是Windows操作系统所涉及到的一个概念,是应用程序的运行实例,是应用程序的一次动态执行。可以通过Win32API函数::CreateProcess()创建一个新进程,调用此函数的进程称为“父进程”,而被“父进程”创立的进程则为“子进程”。使用不同进程间通讯的方法可以开发密切相关的程序的程序组。如图2所示,本分析软件将VisualSSRSW系统的构架(其中包括前、后置处理)主程序作为父进程,将二维轴对称热弹塑性大变形点焊过程模拟程序SPFEM作为子进程,由父进程利用菜单消息映射函数启动子进程,从而实现了点焊过程有限元分析系统的前、后置模块与模拟计算模块的集成。该方法编程简单、思路清晰且程序的运行速度也很快。

图2进程间通信模型

    3模型建立技术--前处理模块

  可视化建模作为有限元分析前置处理阶段的主要内容,对于保证模拟计算系统的性能至关重要。对建模过程的基本要求是简便、快捷,而交互技术必不可少。交互界面设计的优劣关乎整个系统的工作效率和用户的满意程度,优秀的界面可以使用户不必关心软件本身的细节而专注于自己的目标任务。VisualSSRSW系统是一个交互式的图形界面系统,允许用户使用交互式图形方式输入原始数据、观察图形实体及网格单元。

  前置处理模块的主要功能是建立求解对象的模型,定义相应的材料属性,确定场域中各子域的空间位置及形状参数,并自动进行网格剖分,从而为模拟计算做好准备。VisualSSRSW系统前处理的初始化参数包括点焊工件的性能参数、电极材料的性能参数、电极形状参数、焊接规范以及网格剖分数据等。系统中对场域采用四节点四边形等参元进行网格自动剖分,对计算区域的主体部分(电极头与工件接触区域)剖分的较细密,而对其它区域则剖分的较稀疏。为了处理工件和电极这两种介质的混合场域问题,采用弹性表面元模拟工件与工件、工件与电极间的接触状态。网格剖分部分最后生成与模拟计算模块接口的前处理文件。图形操作子模块可以对窗口显示的图形进行平移、缩放、打印预览及保存等操作。为了防止误操作,前置处理模块具有回退功能,可以一直返回到参数输入的首界面,从而提高了软件的安全性。图3表示了电极的参数化处理,便于进行网格的自动划分。

 点极类型      
 尺寸参数化  公称直径D;
工作面直径D1 ;
工作面圆弧半径R1 ;
过渡圆弧半径R
公称直径D;
工作面直径D1 ;
工作面圆弧半径R1

 公称直径D
工作面直径D1
端部锥角α

图3典型电极的参数化设计

4结果处理技术--后处理模块

  有限元分析结果的可视化技术包括矢量场和标量场两大类。矢量场有流体等物质,可视化主要使用箭头线段表示法;标量场有温度、应力应变的某一方向等,

  本文对有限元计算结果进行处理,包括图形显示、结果输出等,是后处理模块的主要内容。可视化主要采用等值线、彩色云图、线架曲面图及切片图等,其中以等值线图和彩色云图最为常用。本系统中提供了点焊熔核长大曲线图、结构变形图、等值线图及彩色云图等多种用于结果分析的后处理方法。

    (1)熔核尺寸与电极位移图

  为了方便观察点焊熔核的长大过程,系统提供了按焊接周期显示的熔核直径、厚度的变化曲线图,另外还可以显示电极位移变化曲线。系统中采用了两种形式绘制结构的变形图或位移图,一种是将整个网格各点的变形图都绘制出来,而另一种是只绘制结构的外框变形图。这两种方式各有利弊,前一种方式由于绘制了各点的变形,故能反映结构各部分的变形情况,但是当网格较密时,会导致图形显示不够清晰;而后一种方式只绘制出外部框架的变形,图形很清晰,但是结构内部的变形不清楚。故系统中提供以上两种变形图来综合反映结构的变形情况。图4和5分别表示了材料为LY12CZ铝合金,板厚1.0mm薄板在电极压力2.5KN条件下,焊接电流对的熔核形成与长大、电极位移的影响。计算结果很好的模拟了实际熔核形成长大与电极位移的变化过程。

图4点焊熔核长大曲线图

 


图5电极位移曲线图

    (2)等值线及彩色云图

  为了形象、直观的描述电阻点焊过程各时刻温度、电势、应力应变及位移等场量的分布情况,系统可以绘制上述各场量的等值线及彩色云图。等值线绘制采用网格插值法[12],其基本思路是采用插值逐个网格单元追踪每条等值线,获取各条等值线在其所穿过的单元的棱边上的坐标值。将这些坐标值存储在动态数组或链表之中,连接各坐标点即可绘制出等值线图。彩色云图综合运用单元填充法和扫描线法绘制。对远离点焊内热源的单元采用单元填充法,由单元的平均值映射的颜色直接填充该区域;而对于处于点焊内热源附近的单元,由于场量值变化很剧烈,因此有必要深入单元的内部由插值计算的场量值对应的颜色绘点,形成这些单元的云图采用的是扫描线算法。在等值线和云图的显示界面,采用从暗红渐变到深蓝的不同颜色标识场量值的大小。鉴于篇幅不再详细讨论这两种图形的绘制算法。图6所示为电阻点焊温度场的等温线图;图7为电阻点焊电势场的彩色云图。

图6点焊温度场等温线图

图7点焊电势场彩色云图

    5结论

  本文介绍了自主开发的电阻点焊过程可视化模拟与分析软件系统VisualSSRSW中采用的关键技术,如接触面、接触电阻、面向对象技术、可视化技术。采用可视化技术开发的电阻点焊过程模拟系统VisualSSRSW具有如下特点:完全可视化的前处理建模过程,用户以图形界面方式输入点焊工件、电极的形状参数、材料性能参数、焊接规范等;能够自由选择网格剖分的疏密程度,实现网格的自动剖分;可视化的后置处理方式多样,便于对计算结果进行分析处理;实现了独立开发的数值计算模块与系统的前、后置处理模块的集成。

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