李美艳, 韩 涛, 韩 彬, 雷 毅

(中国石油大学(华东) 机电工程学院， 山东 青岛 266580)

数值模拟在焊接技术实验课教学中的应用

李美艳, 韩 涛, 韩 彬, 雷 毅

(中国石油大学(华东) 机电工程学院， 山东 青岛 266580)

探讨了焊接技术实验课教学中的局限性,介绍了数值模拟的基本原理和方法,采用SYSWELD软件模拟辅助金属焊接实验课程教学。经过2年的教学尝试,数值模拟技术克服了传统焊接技术实验课的弊端,取得了较明显的教学效果,可视化教学效果明显，获得了多点热循环曲线，实现了焊接应力场分析，节省了实验材料和成本，提高了实验安全性。

焊接技术； 实验教学； 数值模拟； 教学改革

为适应通才教育的需要,1998年全国近百所高校把焊接专业与铸造、锻压合并为材料成型及控制(简称“材控”)专业[1]。自专业合并改革后,各高校材控专业的建设方向存在明显的区别,中国石油大学(华东)材控专业主要偏重于焊接方向,立足于焊接工程领域相关知识和实践技能的培养,使本专业学生毕业后能在石油、石化以及航空航天、船舶、汽车、机械等相关行业从事焊接工艺设计及评定、焊接质量检测、生产技术管理及科研等方面的工作,更加强调焊接专业理论与实践能力的双重培养。

随着高校教学改革的推进,先进教学手段和教学方法逐渐受到重视以提高教学质量。尤其是利用计算机软件模拟焊接过程,不仅通用性和可重复性强,而且能够通过数值模拟完成常规实验中难以实现的实验过程,成为焊接实验教学过程中的重要补充[2-3]。为了能够适应高校专业发展的要求,针对我校焊接技术实验课教学过程中的问题,我们提出基于大型有限元软件SYSWELD,将数值模拟技术引进到焊接技术实验课教学中,利用生动形象的模拟结果来提高教学质量具有重要意义。

1 材料成型及控制专业的焊接技术实验课设置

2010年我校材控专业被授予“山东省特色专业”,同年成为国家首批实施“卓越工程师教育培养计划”的专业之一,受到学校的高度重视和大力支持。2013年,学院对该专业进行了培养方案、教学大纲修订及改革,课程体系设置主要分为三部分:专业基础课、专业课和实践课程。为了适应学生工程实践和创新能力的培养要求,在实践课程中专门设置了“焊接技术实验课”,分为焊接技术实验课一和焊接技术实验课二。

焊接技术实验课分两学期完成,具体课程内容设置见图1。焊接技术实验一是使学生在学习焊接电源、方法和设备理论课程的基础上,通过实验强化课堂教学效果,让学生掌握测定电弧静特性、焊接电源外特性和调节特性的方法,了解电源输出特性的形成机理,熟悉常用焊接设备的操作方法,使学生具备一定的实验基本技能。焊接技术实验二需要在学习完“材料冶金学与成型工艺”、“焊接结构”、“无损检测技术”等理论课程的前提下,通过实验系统掌握影响焊接质量的冶金和工艺因素、力学因素等,学习焊接裂纹的敏感性评价和焊接质量的无损检测方法,熟悉焊条压涂机、扩散氢测定仪、数据采集系统、超声波探伤仪等的操作方法和基本实验技能。

图1 焊接技术实验课具体设置

2 焊接技术实验课教学中的问题

焊接技术实验课是一门实践性较强的实验课程,是材控专业课程教学的重要组成部分,是对高校学生进行系统而全面的实验技术和实验方法训练、培养学生科学实验能力和工程素养的重要实践环节。经过两年的专业建设,发现该实验课程仍然存在问题:

(1) 焊接技术实验偏重于宏观现象观察。首先,金属焊接过程中将产生强烈的弧光辐射,无法通过肉眼直接观察焊接熔池的变化及接头的变形过程,学生看到的更多的是实验结果,对实验过程的观察及理解甚是缺乏。其次,受到实验学时和现有仪器设备的限制,焊接实验过程的动态现象的记录与观测缺乏,不利于学生深刻理解实验过程及结果分析。

(2) 基础实验设备数量有限,大、精、贵构件的焊接无法实现。由于对实验设备的资金投入有限,基础实验多数以分组形式进行,尤其是有些高精度设备或高难度实验甚至是由实验指导教师演示完成。

(3) 焊接热循环测定数据较少。在焊接技术实验课二中采用热电偶进行焊接热循环测定,一次只能检测1个点(见图2)的热循环曲线。为了获得焊接接头不同位置热循环的变化趋势需要进行多次实验,操作复杂、实验过程长且成本高。在具体实验过程中,多数情况下只检测1～2个点,不利于学生对焊接过程的理解。

图2 热电偶测焊接热循环

(4) 焊接应力分布难于检测。在“焊接结构的应力与变形”的实验课中,实验目的是为了证明焊接结构中焊接应力的存在以及应力对变形的影响。但是,实验中学生只能直观地看到焊接结构的变形及进行变形量的测量,焊接瞬时应力和残余应力很难通过实验手段检测,因此无法验证应力与变形之间的相互关系,达不到实验目的。

曾经在地球上最富有、最发达、最颐指气使的白国，在22世纪衰落了，成为地球上最贫困、最落后、最低声下气的弱国。根据地震专家预测，位于地震带上的白国西海岸将在三天之内发生一场摧毁力极强的地震。如果不采取措施，白国西部的五千万人将全部遭殃。白国不得不向离他们最近的帕帕国求援。帕帕国总统杨歌马上派卡尔松执行“海葵花”行动，就是用原子弹引发远离大陆的宝瓶岛附近的海底火山，使将要爆发的大地震提前被人工引爆，并将地震的震心由西部城市转移到无人的海上，从而减少损失。

(5) 对焊接裂纹的产生机理理解不深刻。焊接裂纹是材料冶金学与成型工艺课程中非常重要的内容,按照教学大纲要求,通过实验让学生了解各类裂纹的形态、产生位置,理解裂纹的产生机理。裂纹的产生都是存在应力作用下的结果，而焊接过程中的瞬时应力和残余应力很难通过实验手段检测,因此在向学生阐述焊接裂纹的产生机理时理论依据不充分。数值模拟技术为焊接技术实验课教学提供了一种新的教学思路。

3 数值模拟方法及应用

3.1 数值模拟原理

“数值模拟”是利用数学计算和数学分析的方法再现某一物理过程,从而加深对该过程发展规律的认识进而加以控制。在科学研究和工程设计领域,数值模拟方法是继理论解析方法、实验观测方法之后的又一最有力的研究、求解和设计的工具。随着焊接热传导过程、焊接力学、金属相变热力学/动力学及传质过程研究的发展,焊接物理过程可以采用简化的数学模型加以描述[4]。随着计算机软硬件技术的不断完善,计算能力、计算速度以及计算精度不断提高,借助计算机软硬件开发成果对焊接过程进行数值模拟得到越来越多的重视[5]。

3.2 数值模拟在焊接技术实验课教学中的优势及应用

目前广泛使用的数值模拟软件有ANSYS[6-7]和SYSWELD[8-10],分析过程基本上都遵循焊接物理模型的建立、热源模型的建立及校正、网格划分及后处理等过程进行。SYSWELD软件是完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算的计算机模拟开发系统软件。我校材料科学与工程系自2006年引进该软件并开展大量有关焊接过程的数值模拟分析,取得了一定的研究进展[7-9]。根据需要建立了不同的热源模型、参数校正、物理模型的建立及网格划分,并对模拟结果进行深入后处理分析,积累了大量的实验数据及实验经验。

3.2.1 可视化教学效果明显。

SYSWELD软件自带的visualmesh软件能够根据需要建立相应的物理模型,并完成网格划分功能,见图3。实验指导教师可根据实际焊接接头进行热源的建立及校核,获得与实际接头符合较好的热源模型(见图4),以保证模拟结果的准确性。此外,软件能通过彩色等值、矢量图等形式形象地将焊接过程还原,形象地展示焊接熔池的形态及界面形貌,并以不同色彩显示区分焊接接头的不同位置,直观显示出焊接热源对工件的热作用。

图3 多道焊物理模型图

图4 数值模拟接头和实际接头对比

3.2.2 获得多点焊接热循环曲线

采用SYSWELD软件引入数值模拟分析,对热源模型及参数进行修正,获得与实际热源符合较好的热源模型(见图4),从而获取任意时刻任意点的热循环曲线(见图5),既验证了模型和参数的准确性,同时也避免了实测热循环的麻烦。另外,通过热循环曲线数据分析,能够准确获得加热速度、峰值温度、冷却速度及高温停留时间等参数,这对于理解焊接热影响区的组织和性能是至关重要的。

图5 焊接热循环模拟实验结果

3.2.3 实现焊接应力场分析

目前焊后的残余应力的测量广泛采用的是盲孔法,实验过程复杂,实验结果的可靠性无法保证。更重要的是,目前国内能够开展焊接应力测量的高校实验室很少,严重限制了焊接技术实验教学的发展以及学生对焊接应力这部分知识点的理解。引入数值模拟技术,能够获得焊接过程中瞬时应力和应变,数据提取简单且信息量大,不仅包含应力分布曲线而且还能够提取任意时刻的应力分布云图(见图6)。云图相对于曲线更加形象直观,而且通过实际实验是无法获取的。同时,数值模拟能够获得焊接过程中的变形、烧穿过程(见图7),结合热循环曲线及应力云图,有助于加深学生对整个焊接过程的理解。

图6 焊接接头应力

图7 在役焊接变形、烧穿过程示意图

3.2.4 节省实验材料及成本

与其他工科实验相比,焊接实验实践性更强,需要学生独自或是以小组形式实际操作完成焊接过程,并对焊接工艺或焊接接头进行分析。这样,每节实验课需要准备大量的实验材料,包括焊材(焊条、焊丝等)、母材(不同材质钢板)及其他耗材(酒精、丙酮)等。但是,从高校实验教学成本预算来看,无法满足实际实验的成本需要,很多实验都是以班级为单位进行单一材料、单一参数的实际操作,学生在实验中很难发现科学规律。以焊条电弧焊为例,单一参数的实验数据很难向学生解释清楚焊接电流、焊接电压、焊接速度以及焊条直径等参数对焊缝成型的影响。

采用SYSWELD软件很容易实现上述教学要求,母材物理模型以及焊接热源模型不需要更换,只需要在焊接向导中“设置”不同的焊接参数,即可完成各种工艺参数的焊接过程,获得焊接工艺参数对焊接成型及焊接质量的影响规律。还可以通过调用不同材质,对比分析不同母材的焊接应力,既节省了成本又很好地达到了教学目的。

3.2.5 提高实验安全系数

实验安全是高校顺利开展实践教学的前提。焊接实验以实际操作为主,在操作过程中安全性是个不可忽视的问题。一些带有危险性的焊接实验都未被列入实验教学计划中。而这些带有一定危险性的焊接(比如在役管线焊接修复)都是现场生产中亟需解决的科学问题。为此,采用数值模拟方法建立输油输气管道模型,修正换热系数及边界条件,建立在役管线焊接修复烧穿判据[11-13],在保证实验安全的前提下,让学生了解前沿课题,并掌握了不同条件下的焊接过程。

4 面临的挑战

根据教育部“卓越计划”的实施方案,加强高校大学生工程技术能力的培养,建设完善的实践教学基地和平台是项目实施的重要保障。而将数值模拟技术应用于实验实践教学中也是形势所趋。但是,高校在组织实施过程中也面临很大的困难和挑战。

(1) 要求实验教师掌握数值模拟方法并能够灵活运用。传统的焊接技术实验课教学内容主要是几种简单的焊接方法的操作,只需要实验教师具有简单操作技术。多数实验指导教师不具备任何焊接资格认证。要将数值模拟技术引入到焊接技术实验课教学中,实验指导教师需要掌握数值模拟方法并能够灵活运用,这样才能够获得丰富的模拟数据从而指导学生。同时,还要求实验指导教师进行软件二次开发,这样才能够根据本校教学大纲的要求并结合我校石油石化行业特色,开展有行业代表性的实验教学课程。

(2) 硬件和软件保障。随着不断的应用及开发,SYSWELD软件也在不断地更新,学校应及时关注软件开发动态,及时对在校实验室教学用软件进行更新,以便获得更加真实有效的模拟结果。另一方面,软件的更新伴随着计算机设备的不断换代,性能更加优良的计算机设备或工作站是实现数值模拟教学的硬件保障。

(3) 焊接技术实验教学指导教材的修订。传统的焊接技术实验教学指导教材中以实际操作为主,为了保证数值模拟技术的应用效果,需要对指导教材进行相应的修订。修订内容需要综合考虑学生理论基础、知识结构以及材控专业课程体系,将课堂理论教学与实验教学有机结合起来,才能够达到较好的辅助教学目的。

5 结束语

材料成型及控制工程专业作为我校重点建设的“卓越工程师教育培养计划”专业之一,对其实验教学具有较高的要求。焊接技术实验课是本专业实践教学课程中非常重要的环节,采用数值模拟技术对于建立全方位、多层次焊接技术实验教学体系是不可或缺的。但应充分认识到具体实施时的困难与挑战,确保师资、软硬件以及指导教材的完善。

References)

[1] 常维亚,邢鹏,赵莉. 探索建立研究型大学本科实践教学模式[J]. 中国高等教育,2004(9):26-27.

[2] 王述红,唐春安,朱万成,等. 数值试验在岩石力学实验教学中的应用[J]. 实验技术与管理,2003,20(6):140-143.

[3] 张先锋,黄正祥. 数值模拟应用于弹丸实验教学的实践[J]. 实验室研究与探索,2007,26(2):97-99.

[4] 张显辉,谭长英. 氢致裂纹试验及数值模拟技术国内外研究现状[J]. 焊接,1999(8):5-9.

[5] 宫大猛,雷毅. 数值模拟在焊接中的应用分析[J]. 电焊机,2012,42(6):58-63.

[6] 吴祥兴,胡伦骥,杜汉斌,等. ANSYS在激光焊接温度场数值模拟中的应用[J]. 电焊机,2002,32(9):1-3.

[7] 杨艳,刘金合,贾中振,等. 6mm厚AZ31B镁合金板电子束焊接实验和数值模拟[J]. 热加工工艺,2011,40(11):155-157.

[8] 康惠,凌泽民,齐喜岑. 基于SYSWELD对低合金钢焊接接头的数值模拟及实验分析[J]. 热加工工艺,2010,39(23):200-202.

[9] 宋立新，王勇，韩涛，等. 管道在役焊接接头残余应力的研究[J].焊管,2008,31(2):31-34.

[10] 李美艳,王勇,宋立新,等. 管线钢在役焊接接头残余应力的数值模拟[J].焊管,2011,34(7):18-22.

[11] 宋立新，王勇，韩涛，等. 管道钢在役焊接多道焊的数值模拟[J]. 压力容器,2007,24(11):18-21.

[12] 陈玉华,王勇. 基于SYS WELD的运行管道在役焊接热循环数值模拟[J]. 焊接学报,2007,28(1):85-89.

[13] 黎超文,王勇,李立英,等. T形接头的焊接温度场三维动态有限元模拟[J]. 焊接学报,2011,32(8);33-36.

Application of numerical simulation technology in teaching of welding technology experimental course

Li Meiyan, Han Tao, Han Bin, Lei Yi

(College of Electromechanical Engineering,China University of Petroleum, Qingdao 266580, China)

Limitations in teaching of welding technology experimental course are discussed and the basic principle and method of numerical simulation technology are introduced. Numerical simulation technology is applied to analyze the process of metal welding,and experimental teaching is carried out assisted by the software SYSWELD. The obvious teaching effect is gained after teaching trying for many years, reflecting in obvious visual teaching, such as the temperature field and stress field analysis, which can save the experimental materials and cost and improve the experimental safety coefficient.

welding technology; experimental teaching; numerical simulation; teaching reform

2015- 02- 19

山东省教学改革重点项目(2012018)；中国石油大学(华东)青年教师教学改革项目(QN201318); 中国石油大学(华东)教学研究与改革项目(JY-B201418)；中国石油大学(华东)重点教改项目(SY-A201404,YJ-A1406)

李美艳(1982—)，女，山东龙口，博士，讲师，研究方向为先进材料焊接机表面改性处理

E-mail：limeiyan@upc.edu.cn

T40；G642.0

B

1002-4956(2015)10- 0052- 04