筆者最近剛剛參加完工信部組織的《智能制造培訓(xùn)班》，再一次近距離聆聽(tīng)工信部專(zhuān)家組成員和行業(yè)內(nèi)大咖解讀十四五規(guī)劃中的智能制造與數(shù)字化轉(zhuǎn)型，受益良多。在2018版的《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)體系指南》中，對(duì)整體的智能制造體系有了新的規(guī)劃。如圖1：

圖1 國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)體系指南框架圖

在新的制造制造指南中，可以看到很多內(nèi)容，大多數(shù)內(nèi)容涉及面太廣，不便于在此展開(kāi)。我們重點(diǎn)看中間的，將智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能管理、智能物流、智能優(yōu)化涵蓋在內(nèi)，這部分內(nèi)容將是智能工廠的核心。

多位專(zhuān)家也反復(fù)強(qiáng)調(diào)，在工業(yè)4.0的建設(shè)過(guò)程中，仿真環(huán)節(jié)必不可少，少了仿真環(huán)節(jié)，就不是智能過(guò)程。這部分的論斷，對(duì)于像我這樣專(zhuān)注偏工藝的CAE技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，是一個(gè)積極的肯定（因?yàn)樽屛业念I(lǐng)導(dǎo)聽(tīng)到了，你懂得）。

言歸正傳，在眾多的仿真分支中，焊接仿真一般是偏工藝方向的仿真，一般不在設(shè)計(jì)的仿真范疇之內(nèi)，所以焊接仿真一直在各大主機(jī)廠中（僅僅是我所接觸過(guò)的，不代表全部）是一個(gè)特殊的存在，說(shuō)完全沒(méi)有不對(duì)，說(shuō)有吧，又是游離在流程之外的，比較尷尬。好在我們暫時(shí)可以不關(guān)注這些，專(zhuān)心做仿真，時(shí)間會(huì)給我們證明我們的價(jià)值！

本文所講的內(nèi)容正是這個(gè)比較難纏的焊接仿真問(wèn)題。圖2是我想給大家大致說(shuō)明下焊接的場(chǎng)景問(wèn)題。對(duì)于很多做焊接的人來(lái)說(shuō)，工程師一般好點(diǎn)，但是對(duì)于好多的同學(xué)而言，我了解到的是根本沒(méi)有見(jiàn)過(guò)真正的焊接，就開(kāi)始做仿真，這是有問(wèn)題的。

焊接過(guò)程是一個(gè)比較的復(fù)雜的過(guò)程，就焊接現(xiàn)象而言，是焊工利用手中的焊槍?zhuān)瑢⒑附z填充到兩個(gè)要連接的零件之間，利用電生熱原理，將電能轉(zhuǎn)化成熱能，熔化填料和母材，將母材連接在一起。這個(gè)說(shuō)法不太嚴(yán)謹(jǐn)，但是我覺(jué)得有助于幫助大家理解焊接過(guò)程。

圖2 焊接場(chǎng)景

對(duì)于焊接過(guò)程，我們可以發(fā)現(xiàn)涉及了三個(gè)過(guò)程，電場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于大多數(shù)弧焊而言，電場(chǎng)可以忽略，僅考慮溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。但是對(duì)于電阻焊而言，三者必須同時(shí)考慮，這就給有限元帶來(lái)了很大的困難。增加一個(gè)場(chǎng)不僅僅是增加一個(gè)未知數(shù)那么簡(jiǎn)單的問(wèn)題，會(huì)涉及到非常復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題。筆者最近使用abaqus做了一個(gè)電阻焊的case，電阻焊的收斂問(wèn)題真是頭疼的很。

正如上述，做弧焊要相對(duì)簡(jiǎn)單，目前的絕大多數(shù)焊接都是只考慮溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。應(yīng)力場(chǎng)很好理解，那么溫度場(chǎng)怎么做呢？我們?nèi)绻晕⒘私鈧鳠岬睦碚摰脑?huà)，就知道傳熱的過(guò)程就是一個(gè)偏微分方程問(wèn)題。對(duì)于物理模型來(lái)說(shuō)，就是熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對(duì)流問(wèn)題。這里面的核心就是熱源！

圖3 焊接過(guò)程的數(shù)值轉(zhuǎn)化

焊接的過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以我們要考慮兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是熱源的形狀，一個(gè)是熱源的移動(dòng)。熱源的形狀是一個(gè)數(shù)學(xué)問(wèn)題，熱源的移動(dòng)是一個(gè)程序問(wèn)題。

圖4 雙橢球熱源模型

在解決熱源形狀的過(guò)程中，出現(xiàn)了很多的專(zhuān)家，目前最常用的就是雙橢球熱源，關(guān)于這個(gè)熱源的理解和使用目前存在很多的誤區(qū)：

1、正確理解雙橢球的“雙”字。這個(gè)雙代表這這其實(shí)是個(gè)復(fù)合熱源，由兩個(gè)橢球熱源各自拿出一半組合起來(lái)的。主要為了解決在焊接過(guò)程中前后半?yún)^(qū)無(wú)論在熱輸入還是在能量上不一致的問(wèn)題。

2、正確理解橢球的概念。為什么是橢球，橢到什么地步，是由他的形狀函數(shù)來(lái)表示的。就是公式中的exp（）內(nèi)容。建議你可以將焊縫中心和遠(yuǎn)離焊縫中心的坐標(biāo)帶進(jìn)去，看看結(jié)果是這么。如果你多做一些，多比一些，好多問(wèn)題都可以解決，比如最復(fù)雜的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化問(wèn)題。

3、正確理解b和c。這兩個(gè)參數(shù)一個(gè)是熔池寬度，一個(gè)是熔池深度。這個(gè)通常建議和實(shí)際的焊縫熔合線(xiàn)一致。我接觸到的一些同學(xué)對(duì)這個(gè)完全沒(méi)有概念，這個(gè)就比較難辦了，還是建議補(bǔ)補(bǔ)課。正確理解了b和c，就可以知道，我們?cè)谧鰡卧臅r(shí)候，就要保障在b和c的范圍內(nèi)有足夠的單元，才能保障溫度場(chǎng)分布較為均勻。為了避免誤導(dǎo)大家，這里還是建議大家自己嘗試下，用什么樣的單元尺寸最合適，自己試驗(yàn)出來(lái)的肯定最美妙了。

4、正確理解耦合場(chǎng)的概念。由于熱源是移動(dòng)的，所以他每移動(dòng)一次，都要進(jìn)行一次解耦計(jì)算，因此焊接的分析一般很費(fèi)時(shí)間，他的計(jì)算成本也比一般的高，一定要做好心理準(zhǔn)備。另外，這個(gè)分析比較吃CPU主頻，不太吃多核。

5、關(guān)于熱源的定義，不同軟件有不同的做法。以為常用的為例，abaqus一般采用子程序的方法，marc內(nèi)置了部分熱源的模塊，內(nèi)置模塊解決不了的，依舊要通過(guò)子程序來(lái)解決。無(wú)論哪種，其實(shí)質(zhì)都是提供一個(gè)可以以時(shí)間為自變量的可以移動(dòng)的熱源。

編輯：jq