數值模擬在焊接技術實驗課教學中的應用

李美艷, 韓 濤, 韓 彬, 雷 毅

(中國石油大學(華東) 機電工程學院， 山東 青島 266580)

數值模擬在焊接技術實驗課教學中的應用

李美艷, 韓 濤, 韓 彬, 雷 毅

(中國石油大學(華東) 機電工程學院， 山東 青島 266580)

探討了焊接技術實驗課教學中的局限性,介紹了數值模擬的基本原理和方法,采用SYSWELD軟件模擬輔助金屬焊接實驗課程教學。經過2年的教學嘗試,數值模擬技術克服了傳統焊接技術實驗課的弊端,取得了較明顯的教學效果,可視化教學效果明顯，獲得了多點熱循環曲線，實現了焊接應力場分析，節省了實驗材料和成本，提高了實驗安全性。

焊接技術； 實驗教學； 數值模擬； 教學改革

為適應通才教育的需要,1998年全國近百所高校把焊接專業與鑄造、鍛壓合并為材料成型及控制(簡稱“材控”)專業[1]。自專業合并改革后,各高校材控專業的建設方向存在明顯的區別,中國石油大學(華東)材控專業主要偏重于焊接方向,立足于焊接工程領域相關知識和實踐技能的培養,使本專業學生畢業后能在石油、石化以及航空航天、船舶、汽車、機械等相關行業從事焊接工藝設計及評定、焊接質量檢測、生產技術管理及科研等方面的工作,更加強調焊接專業理論與實踐能力的雙重培養。

隨著高校教學改革的推進,先進教學手段和教學方法逐漸受到重視以提高教學質量。尤其是利用計算機軟件模擬焊接過程,不僅通用性和可重復性強,而且能夠通過數值模擬完成常規實驗中難以實現的實驗過程,成為焊接實驗教學過程中的重要補充[2-3]。為了能夠適應高校專業發展的要求,針對我校焊接技術實驗課教學過程中的問題,我們提出基于大型有限元軟件SYSWELD,將數值模擬技術引進到焊接技術實驗課教學中,利用生動形象的模擬結果來提高教學質量具有重要意義。

1 材料成型及控制專業的焊接技術實驗課設置

2010年我校材控專業被授予“山東省特色專業”,同年成為國家首批實施“卓越工程師教育培養計劃”的專業之一,受到學校的高度重視和大力支持。2013年,學院對該專業進行了培養方案、教學大綱修訂及改革,課程體系設置主要分為三部分:專業基礎課、專業課和實踐課程。為了適應學生工程實踐和創新能力的培養要求,在實踐課程中專門設置了“焊接技術實驗課”,分為焊接技術實驗課一和焊接技術實驗課二。

焊接技術實驗課分兩學期完成,具體課程內容設置見圖1。焊接技術實驗一是使學生在學習焊接電源、方法和設備理論課程的基礎上,通過實驗強化課堂教學效果,讓學生掌握測定電弧靜特性、焊接電源外特性和調節特性的方法,了解電源輸出特性的形成機理,熟悉常用焊接設備的操作方法,使學生具備一定的實驗基本技能。焊接技術實驗二需要在學習完“材料冶金學與成型工藝”、“焊接結構”、“無損檢測技術”等理論課程的前提下,通過實驗系統掌握影響焊接質量的冶金和工藝因素、力學因素等,學習焊接裂紋的敏感性評價和焊接質量的無損檢測方法,熟悉焊條壓涂機、擴散氫測定儀、數據采集系統、超聲波探傷儀等的操作方法和基本實驗技能。

圖1 焊接技術實驗課具體設置

2 焊接技術實驗課教學中的問題

焊接技術實驗課是一門實踐性較強的實驗課程,是材控專業課程教學的重要組成部分,是對高校學生進行系統而全面的實驗技術和實驗方法訓練、培養學生科學實驗能力和工程素養的重要實踐環節。經過兩年的專業建設,發現該實驗課程仍然存在問題:

(1) 焊接技術實驗偏重于宏觀現象觀察。首先,金屬焊接過程中將產生強烈的弧光輻射,無法通過肉眼直接觀察焊接熔池的變化及接頭的變形過程,學生看到的更多的是實驗結果,對實驗過程的觀察及理解甚是缺乏。其次,受到實驗學時和現有儀器設備的限制,焊接實驗過程的動態現象的記錄與觀測缺乏,不利于學生深刻理解實驗過程及結果分析。

(2) 基礎實驗設備數量有限,大、精、貴構件的焊接無法實現。由于對實驗設備的資金投入有限,基礎實驗多數以分組形式進行,尤其是有些高精度設備或高難度實驗甚至是由實驗指導教師演示完成。

(3) 焊接熱循環測定數據較少。在焊接技術實驗課二中采用熱電偶進行焊接熱循環測定,一次只能檢測1個點(見圖2)的熱循環曲線。為了獲得焊接接頭不同位置熱循環的變化趨勢需要進行多次實驗,操作復雜、實驗過程長且成本高。在具體實驗過程中,多數情況下只檢測1～2個點,不利于學生對焊接過程的理解。

圖2 熱電偶測焊接熱循環

(4) 焊接應力分布難于檢測。在“焊接結構的應力與變形”的實驗課中,實驗目的是為了證明焊接結構中焊接應力的存在以及應力對變形的影響。但是,實驗中學生只能直觀地看到焊接結構的變形及進行變形量的測量,焊接瞬時應力和殘余應力很難通過實驗手段檢測,因此無法驗證應力與變形之間的相互關系,達不到實驗目的。

曾經在地球上最富有、最發達、最頤指氣使的白國，在22世紀衰落了，成為地球上最貧困、最落后、最低聲下氣的弱國。根據地震專家預測，位于地震帶上的白國西海岸將在三天之內發生一場摧毀力極強的地震。如果不采取措施，白國西部的五千萬人將全部遭殃。白國不得不向離他們最近的帕帕國求援。帕帕國總統楊歌馬上派卡爾松執行“海葵花”行動，就是用原子彈引發遠離大陸的寶瓶島附近的海底火山，使將要爆發的大地震提前被人工引爆，并將地震的震心由西部城市轉移到無人的海上，從而減少損失。

(5) 對焊接裂紋的產生機理理解不深刻。焊接裂紋是材料冶金學與成型工藝課程中非常重要的內容,按照教學大綱要求,通過實驗讓學生了解各類裂紋的形態、產生位置,理解裂紋的產生機理。裂紋的產生都是存在應力作用下的結果，而焊接過程中的瞬時應力和殘余應力很難通過實驗手段檢測,因此在向學生闡述焊接裂紋的產生機理時理論依據不充分。數值模擬技術為焊接技術實驗課教學提供了一種新的教學思路。

3 數值模擬方法及應用

3.1 數值模擬原理

“數值模擬”是利用數學計算和數學分析的方法再現某一物理過程,從而加深對該過程發展規律的認識進而加以控制。在科學研究和工程設計領域,數值模擬方法是繼理論解析方法、實驗觀測方法之后的又一最有力的研究、求解和設計的工具。隨著焊接熱傳導過程、焊接力學、金屬相變熱力學/動力學及傳質過程研究的發展,焊接物理過程可以采用簡化的數學模型加以描述[4]。隨著計算機軟硬件技術的不斷完善,計算能力、計算速度以及計算精度不斷提高,借助計算機軟硬件開發成果對焊接過程進行數值模擬得到越來越多的重視[5]。

3.2 數值模擬在焊接技術實驗課教學中的優勢及應用

目前廣泛使用的數值模擬軟件有ANSYS[6-7]和SYSWELD[8-10],分析過程基本上都遵循焊接物理模型的建立、熱源模型的建立及校正、網格劃分及后處理等過程進行。SYSWELD軟件是完全實現了機械、熱傳導和金屬冶金的耦合計算的計算機模擬開發系統軟件。我校材料科學與工程系自2006年引進該軟件并開展大量有關焊接過程的數值模擬分析,取得了一定的研究進展[7-9]。根據需要建立了不同的熱源模型、參數校正、物理模型的建立及網格劃分,并對模擬結果進行深入后處理分析,積累了大量的實驗數據及實驗經驗。

3.2.1 可視化教學效果明顯。

SYSWELD軟件自帶的visualmesh軟件能夠根據需要建立相應的物理模型,并完成網格劃分功能,見圖3。實驗指導教師可根據實際焊接接頭進行熱源的建立及校核,獲得與實際接頭符合較好的熱源模型(見圖4),以保證模擬結果的準確性。此外,軟件能通過彩色等值、矢量圖等形式形象地將焊接過程還原,形象地展示焊接熔池的形態及界面形貌,并以不同色彩顯示區分焊接接頭的不同位置,直觀顯示出焊接熱源對工件的熱作用。

圖3 多道焊物理模型圖

圖4 數值模擬接頭和實際接頭對比

3.2.2 獲得多點焊接熱循環曲線

采用SYSWELD軟件引入數值模擬分析,對熱源模型及參數進行修正,獲得與實際熱源符合較好的熱源模型(見圖4),從而獲取任意時刻任意點的熱循環曲線(見圖5),既驗證了模型和參數的準確性,同時也避免了實測熱循環的麻煩。另外,通過熱循環曲線數據分析,能夠準確獲得加熱速度、峰值溫度、冷卻速度及高溫停留時間等參數,這對于理解焊接熱影響區的組織和性能是至關重要的。

圖5 焊接熱循環模擬實驗結果

3.2.3 實現焊接應力場分析

目前焊后的殘余應力的測量廣泛采用的是盲孔法,實驗過程復雜,實驗結果的可靠性無法保證。更重要的是,目前國內能夠開展焊接應力測量的高校實驗室很少,嚴重限制了焊接技術實驗教學的發展以及學生對焊接應力這部分知識點的理解。引入數值模擬技術,能夠獲得焊接過程中瞬時應力和應變,數據提取簡單且信息量大,不僅包含應力分布曲線而且還能夠提取任意時刻的應力分布云圖(見圖6)。云圖相對于曲線更加形象直觀,而且通過實際實驗是無法獲取的。同時,數值模擬能夠獲得焊接過程中的變形、燒穿過程(見圖7),結合熱循環曲線及應力云圖,有助于加深學生對整個焊接過程的理解。

圖6 焊接接頭應力

圖7 在役焊接變形、燒穿過程示意圖

3.2.4 節省實驗材料及成本

與其他工科實驗相比,焊接實驗實踐性更強,需要學生獨自或是以小組形式實際操作完成焊接過程,并對焊接工藝或焊接接頭進行分析。這樣,每節實驗課需要準備大量的實驗材料,包括焊材(焊條、焊絲等)、母材(不同材質鋼板)及其他耗材(酒精、丙酮)等。但是,從高校實驗教學成本預算來看,無法滿足實際實驗的成本需要,很多實驗都是以班級為單位進行單一材料、單一參數的實際操作,學生在實驗中很難發現科學規律。以焊條電弧焊為例,單一參數的實驗數據很難向學生解釋清楚焊接電流、焊接電壓、焊接速度以及焊條直徑等參數對焊縫成型的影響。

采用SYSWELD軟件很容易實現上述教學要求,母材物理模型以及焊接熱源模型不需要更換,只需要在焊接向導中“設置”不同的焊接參數,即可完成各種工藝參數的焊接過程,獲得焊接工藝參數對焊接成型及焊接質量的影響規律。還可以通過調用不同材質,對比分析不同母材的焊接應力,既節省了成本又很好地達到了教學目的。

3.2.5 提高實驗安全系數

實驗安全是高校順利開展實踐教學的前提。焊接實驗以實際操作為主,在操作過程中安全性是個不可忽視的問題。一些帶有危險性的焊接實驗都未被列入實驗教學計劃中。而這些帶有一定危險性的焊接(比如在役管線焊接修復)都是現場生產中亟需解決的科學問題。為此,采用數值模擬方法建立輸油輸氣管道模型,修正換熱系數及邊界條件,建立在役管線焊接修復燒穿判據[11-13],在保證實驗安全的前提下,讓學生了解前沿課題,并掌握了不同條件下的焊接過程。

4 面臨的挑戰

根據教育部“卓越計劃”的實施方案,加強高校大學生工程技術能力的培養,建設完善的實踐教學基地和平臺是項目實施的重要保障。而將數值模擬技術應用于實驗實踐教學中也是形勢所趨。但是,高校在組織實施過程中也面臨很大的困難和挑戰。

(1) 要求實驗教師掌握數值模擬方法并能夠靈活運用。傳統的焊接技術實驗課教學內容主要是幾種簡單的焊接方法的操作,只需要實驗教師具有簡單操作技術。多數實驗指導教師不具備任何焊接資格認證。要將數值模擬技術引入到焊接技術實驗課教學中,實驗指導教師需要掌握數值模擬方法并能夠靈活運用,這樣才能夠獲得豐富的模擬數據從而指導學生。同時,還要求實驗指導教師進行軟件二次開發,這樣才能夠根據本校教學大綱的要求并結合我校石油石化行業特色,開展有行業代表性的實驗教學課程。

(2) 硬件和軟件保障。隨著不斷的應用及開發,SYSWELD軟件也在不斷地更新,學校應及時關注軟件開發動態,及時對在校實驗室教學用軟件進行更新,以便獲得更加真實有效的模擬結果。另一方面,軟件的更新伴隨著計算機設備的不斷換代,性能更加優良的計算機設備或工作站是實現數值模擬教學的硬件保障。

(3) 焊接技術實驗教學指導教材的修訂。傳統的焊接技術實驗教學指導教材中以實際操作為主,為了保證數值模擬技術的應用效果,需要對指導教材進行相應的修訂。修訂內容需要綜合考慮學生理論基礎、知識結構以及材控專業課程體系,將課堂理論教學與實驗教學有機結合起來,才能夠達到較好的輔助教學目的。

5 結束語

材料成型及控制工程專業作為我校重點建設的“卓越工程師教育培養計劃”專業之一,對其實驗教學具有較高的要求。焊接技術實驗課是本專業實踐教學課程中非常重要的環節,采用數值模擬技術對于建立全方位、多層次焊接技術實驗教學體系是不可或缺的。但應充分認識到具體實施時的困難與挑戰,確保師資、軟硬件以及指導教材的完善。

References)

[1] 常維亞,邢鵬,趙莉. 探索建立研究型大學本科實踐教學模式[J]. 中國高等教育,2004(9):26-27.

[2] 王述紅,唐春安,朱萬成,等. 數值試驗在巖石力學實驗教學中的應用[J]. 實驗技術與管理,2003,20(6):140-143.

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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

山東省教學改革重點項目(2012018)；中國石油大學(華東)青年教師教學改革項目(QN201318); 中國石油大學(華東)教學研究與改革項目(JY-B201418)；中國石油大學(華東)重點教改項目(SY-A201404,YJ-A1406)

李美艷(1982—)，女，山東龍口，博士，講師，研究方向為先進材料焊接機表面改性處理

E-mail：limeiyan@upc.edu.cn

T40；G642.0

B

1002-4956(2015)10- 0052- 04