焊接溫度場(chǎng)_應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)及驗(yàn)證

1、焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)及驗(yàn)證一蔡志鵬 趙海燕 鹿安理等:1004 132X(2001)10 1165 04焊接溫度場(chǎng)應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)及驗(yàn)證蔡志鵬趙海燕鹿安理蔡志雁:利用因次分析法和方程分析法推導(dǎo)出焊接條件下模擬件溫度場(chǎng)應(yīng) 滿足的相似準(zhǔn)則并據(jù)此得到實(shí)物與模擬件間應(yīng)力和變形的相似關(guān)系。對(duì)此 相似準(zhǔn)則利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行平板表面堆焊三維有限元驗(yàn)證得到了較好 對(duì)應(yīng)關(guān)系。進(jìn)一步討論得知此相似準(zhǔn)則不適用于相變明顯的材料。:TG4:焊接:相似準(zhǔn)則:模擬:有限元分析蔡志鵬博士© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Pu

2、blishing House. All rights reserved, 焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)及驗(yàn)證一蔡志鵬 趙海燕 鹿安理等© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)及驗(yàn)證一蔡志鵬 趙海燕 鹿安理等控制焊接引起的殘余應(yīng)力及變形是意義重大 的研究課題。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與物理模擬相 結(jié)合的方法優(yōu)化工藝是重要的發(fā)展途徑。因焊接 過程的復(fù)雜性.目前數(shù)值模擬復(fù)雜實(shí)物的可行性 受到限制。相似理論為物理模擬方

3、法的基礎(chǔ)，但因 實(shí)際焊接條件的限制相似準(zhǔn)則很難同時(shí)滿足故 模擬件與實(shí)物之間仍缺乏較為準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 若將物理模擬與數(shù)值模擬結(jié)合起來，利用物理模 擬中的相似關(guān)系對(duì)實(shí)物經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換減小復(fù)雜 性再進(jìn)行數(shù)值模擬將所得結(jié)果再變換到實(shí)物上 去則是一種較為可行、并對(duì)實(shí)際焊接工藝具有一 定指導(dǎo)意義的方法。基于半無限體移動(dòng)點(diǎn)熱源和無限大板移動(dòng)線 熱源假設(shè)的溫度場(chǎng)解析式得到的相似準(zhǔn)則川(其中 假設(shè)物性參數(shù)不隨溫度變化).對(duì)于厚板、薄板其相 似條件是不一致的而且對(duì)中厚板無法進(jìn)行相似比 較只能用于薄板模擬薄板厚板模擬厚板。筆者利 用一定假設(shè)推導(dǎo)出焊接條件下的相似準(zhǔn)則不受板 厚的限制可以實(shí)現(xiàn)不同厚度板之間的相似關(guān)系

4、， 而且不受物性參數(shù)隨溫度變化的影響。1焊接條件下應(yīng)用相似原理所作假設(shè)假設(shè)焊接溫度場(chǎng)只受熱輸入方式和物性參數(shù) 的影響，忽略相變引起的能量變化。假設(shè)材料的物性參數(shù)只是材料和溫度的函 數(shù)與時(shí)間、壓力等無關(guān)。2焊接溫度場(chǎng)、髙斯熱源及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)相 似條件的推導(dǎo)2 1因次分析法利用描述某個(gè)現(xiàn)象的各個(gè)物理:19991116量之間基本量綱因次是和諧的得出相似準(zhǔn)則。焊 接過程中的溫度場(chǎng)分布7與輸入熱流量9、焊接 速度卩、工件尺寸人比熱容d密度P、導(dǎo)熱系數(shù)入 表面散熱系數(shù)U及時(shí)間t有關(guān)。以長度億)、力 (P)、時(shí)間、熱量(C)、溫度(門 作為基本量，將 密度"改為重度必與焊接溫度場(chǎng)有關(guān)的各量用基 本量

5、的因次表示如下：TTl9qt lCl9vLlf lJLl9cP lClTl9 VL' > 1165 , AL* xt lClT' ',(XL' 2f lClT *,焊接溫度場(chǎng)相關(guān)量因次表示見表loaTb qcVd1ecfygzII (XI t長度LI1-3-1-2力P-11時(shí)間i1111熱量c1111溫度T1111利用因次分析法將表1中各行作類似矩陣 行變換。例如將第2行因次與第4行因次各列對(duì) 應(yīng)求和，得到表2中的第4行因次。因矩陣的秩為 5化簡到前5列每列只含1個(gè)數(shù)為止c表1中各量 因次變換值見表2。2 1aTb cicVd1ecfygXII(XIt長度

6、L12 1 21力p11時(shí)間/111熱量c1111溫度卩1111列方程、情況如下：(1巾= l、b= l,c= l.d= 2,e= 1J = i其余為o。可得到廠不變量。若 用下標(biāo)1、2分別表示相似的兩個(gè)過程.應(yīng)有 T lq lvlcYi = T2 lq2 'vz/kzo 若用 G 表示 V1/V2.其余各物理量也都如此表示.則有 CACyC.CyACrC.) = 1。下面的推導(dǎo)相類似。(2) a = l.b= 1, d = 1, g = 1,其余為 0o T'q 'l =不變量.CQ/Cx/t" lo(3) a= 1 9b= l,d=2,力=1,其余為 0。

7、 Tq ll2d!=不變>Cr(C/)2C«/t. = lo(4) c= 1 ,d=1 ,心 1,其余為 0ov7 '/*=不變 *.CvCr/t/= lo根據(jù)假設(shè)，在焊接過程中模擬件與實(shí)物在對(duì) 應(yīng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻應(yīng)具有相同的溫度且物性參數(shù)只 是材料與溫度的函數(shù)，故當(dāng)用原材料進(jìn)行模擬時(shí), 應(yīng)有6= 6= Cy= Ca= 1。化簡得 Cq= C/,C, =l/Ci,C.= (c,)2所以焊接條件下的相似準(zhǔn)則為<h/q = t/ = Vm/v = 1/5 ot/(x= 1/5 L,/t= &式中下標(biāo)山為模擬件的參數(shù)：§為模擬件與實(shí)物幾何尺 寸的比例。2 2

8、在數(shù)值模擬中作為熱源邊界條件，需要有熱 輸入方式的描述。故有必要推導(dǎo)高斯熱源的相似 條件C由文獻(xiàn)3.得距熱源斑點(diǎn)中心為r的點(diǎn)熱流 密度計(jì)算式為q (r) = / exp (- K r2)式中4為熱流密度分布:W為加熱斑點(diǎn)中心最大比 熱流：K為能量集中系數(shù)。又有詁=(K/Wq式中 g為電弧的有效功率即輸入熱流量。由溫度場(chǎng)的相似條件，有b/q = b對(duì)于模擬件與實(shí)物.應(yīng)有K怎=Kr2Km/K = r/li = /S©；),”/«； = Kinq,n/(Kq) =/6所以高斯熱源相似條件為Kw/K = /& > (審)-/<t - i/g2 3根據(jù)能量守恒描述

9、焊接過程的方程為 Fc(r - cPT + q. j = Qv- "d + 血 ”(3)式中；為溫度對(duì)時(shí)間的變化率:c并為單位時(shí)間的儲(chǔ)熱: 心為通過表面單位時(shí)間內(nèi)傳遞的熱:二為單位時(shí)間消耗 的熱E為彈性模量:(X為熱膨脹系數(shù)為泊松比:C,彈性 體積應(yīng)變率的張量;嚴(yán)久乙 為彈性形變引起的能量變 化:皿為偏應(yīng)力張A 為粘塑性應(yīng)變率的張量: 為粘塑性形變引起的能量變化弋為部分形變能表 現(xiàn)為顯微組織變化(假設(shè)忽略相變引起的能力變化).? = lo方程分析法是基于相似的物理過程是由相同 的物理規(guī)律所決定的.用數(shù)學(xué)表示則其應(yīng)有相同 的微分方程。若用方程中的某一頊去除整個(gè)微分 方程.則此微分方程中

10、該項(xiàng)變?yōu)?而其余各項(xiàng)變 為無單位的常量，且相似物理過程中所有對(duì)應(yīng)常 量均應(yīng)相同。與因次分析法相類似,可得到相應(yīng)的 相似準(zhǔn)則。當(dāng)模擬件與原型材料一致,溫度場(chǎng)相似時(shí).利 用方程分析法.可得Cp= lo由幾何方程£= (II i.J + Uj, 1)/19可得Im/I = &由力的邊界條件=Pi,得Cpj= Cnt= lo 由位移邊界條件“i=心得“ =5故滿足所加外力集中程度相同，方向一致所 加位移幾何相似的條件下，可得= (Xj= Ln/l =8所以在整個(gè)模擬件上有(硏)師=Oij(Uij)M/Uij = j/l =3比較驗(yàn)證上述焊接相似準(zhǔn)則基于相似理論的數(shù)學(xué)推導(dǎo) 得出本身是嚴(yán)

11、格成立的C但由于假設(shè)條件的局限 性必須做相應(yīng)的驗(yàn)證?？紤]實(shí)現(xiàn)物理模擬的條件 苛刻（例如表面換熱系數(shù)熱源集中程度等保證嚴(yán) 格比例關(guān)系是難以實(shí)現(xiàn)的），而且測(cè)量結(jié)果只是全 場(chǎng)中的個(gè)別點(diǎn)對(duì)于整個(gè)模擬件的整個(gè)變化過程 來說.即使這些點(diǎn)吻合很好仍缺乏證實(shí)。采用數(shù)值 模擬則可以克服上述物理驗(yàn)證的困難。但其前提 是該種數(shù)值模擬在類似焊接條件下的可靠性得到 承認(rèn)。本文采用M SC公司的MARC軟件,按照相 似條件確定的參數(shù)進(jìn)行平板表面堆焊3維有限元 模擬c實(shí)物模型簡圖見圖lo1具體參數(shù)見表%3材料(mm)v.(mm/s)q(W)K(air 2)亦 (W/ m2)a(W/ m2K)實(shí)物35384 X 320X 1

12、2523006 124 5 X 1071310披擬件35192 X 160X 610115024. 499 0 X 1072620力的邊界條件為無外加載荷。 位移的邊界條件為無整體剛性位移。 溫度邊界條件為初始溫度25乜。數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分見圖2O材料熱物性參數(shù)采用實(shí)際入c隨溫度變化的 數(shù)值其中包括了相變對(duì)其值的影響。分別見圖3利用高斯熱源作為熱輸入方式的描述，利用 SGI公司OCTAN E2工作站計(jì)算得到結(jié)果。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)模擬件與實(shí)物分別為薄板（6 mm）和中厚板（12mm）,且采用實(shí)際非線性熱物 性參數(shù)結(jié)果吻合得較好。表明所得相似關(guān)系具有 一定的普遍性。若實(shí)際情況得到類似結(jié)果則通過 模擬件可

13、推知實(shí)際構(gòu)件的應(yīng)力和位移。從模擬條件上看，對(duì)模擬件的實(shí)際焊接條件 提岀了很高的要求如熱源、焊速、表面換熱系數(shù) 等難以達(dá)到相似條件。而且在相似分析中忽略了 相變的影響。而模擬件的升溫、降溫速度是實(shí)物的 幾何比例的平方倍。故對(duì)干淬硬傾向大的材料.模 擬件與實(shí)物的相似關(guān)系不再適應(yīng)。因此實(shí)際模擬 件仍有一定的適用范圍。采用數(shù)值驗(yàn)證可以避免一些實(shí)際相似條件不 能準(zhǔn)確滿足引起的誤差。對(duì)干相變影響小的材料 可嘗試?yán)脭?shù)值計(jì)算模擬實(shí)際構(gòu)件的模擬件以控 制應(yīng)力和變形。1 （德）D 拉達(dá)伊焊接熱效應(yīng)溫度場(chǎng)、殘余應(yīng)力、變形北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1997: 230- 2512 李之光相似與?；ɡ碚摷皯?yīng)用）.北京：國

14、防工業(yè)出版社.1982:85© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)及驗(yàn)證一蔡志鵬 趙海燕 鹿安理等© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)及驗(yàn)證一蔡志鵬 趙海燕 鹿安理等 1167 © 1994-2007 China Acade

15、mic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, CH NAM ECHAN CAL ENG NEER NG Vol 12,No 10. 2001屈梁生教授:1004- 132X (2001) 10- 1168- 05提高故障診斷質(zhì)量的幾種方法屈梁生張海軍:故障診斷包括信號(hào)采集信號(hào)分析、特征提取、診斷決策等環(huán)節(jié)。每 一環(huán)節(jié)對(duì)最終的診斷結(jié)果均有著重要影響。詳細(xì)討論了通過恰當(dāng)?shù)男盘?hào)分析 方法與手段來提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性提出了噪聲壓縮、信息集成 與融合、信息分解、特征趨勢(shì)等幾種提高診斷質(zhì)量的有效途徑。:故障診斷;信號(hào)處理

16、:診斷質(zhì)量:振動(dòng):TH 17© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, CH NAM ECHAN CAL ENG NEER NG Vol 12,No 10. 2001© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, CH NAM ECHAN CAL ENG NEER NG Vol 12,No 10. 2001機(jī)械診斷的根本目標(biāo)是確診

17、連續(xù)運(yùn)行機(jī)器的 潛在故障保證機(jī)器安全高效運(yùn)行所謂確診就是 能夠準(zhǔn)確地診斷出故障機(jī)組的故障類型、故障嚴(yán) 重程度及故障的具體位置。從本質(zhì)上講故障診 斷就是模式識(shí)別問題。簡單的診斷系統(tǒng)就是把正 常機(jī)器從故障機(jī)器中區(qū)分出來,在生產(chǎn)實(shí)際中這 些系統(tǒng)通過預(yù)先設(shè)定的振動(dòng)的極限值、報(bào)警值在 線地監(jiān)測(cè)設(shè)備振動(dòng)的峰一峰值以保證其安全運(yùn) 行。迄今為止,這種簡單的診斷行為仍然支配著生 產(chǎn)過程并有著舉足輕重的地位。但是這種簡單的 診斷方式對(duì)于確診機(jī)組的故障尚無能為力。為了 盡量減少由于非正常關(guān)機(jī)而造成的損失，及時(shí)準(zhǔn) 確地判別機(jī)器的狀態(tài)意義重大。1影響故障確診的因素隨著信息理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械故 障診斷發(fā)生了巨大

18、的飛躍。診斷系統(tǒng)已經(jīng)可以確 定出設(shè)備故障的類型、嚴(yán)重程度及故障的具體位 置。診斷系統(tǒng)并不能診斷出每一種故障而且對(duì)不 同故障具有不同識(shí)別能力。在生產(chǎn)實(shí)際中誤診、漏 診時(shí)有發(fā)生,診斷的準(zhǔn)確性和可靠性有待于進(jìn)一 步改進(jìn)。而影響機(jī)組故障確診的因素可以分為兩 大類:客觀因素和主觀因素這兩類因素又可細(xì)分 為眾多小環(huán)節(jié)具體關(guān)系見圖lo:19990803H 故障類型測(cè)點(diǎn)布置一機(jī)器設(shè)計(jì)質(zhì)從信號(hào)采集 L佰息分析診斷過程| -故障特征提取|"L* 積累的經(jīng)驗(yàn)診斷決策圖】故陣確診的影響因索影響故障診斷質(zhì)量的客觀因素包括機(jī)組故障 的類型、設(shè)備的復(fù)雜程度及設(shè)計(jì)合理性等。機(jī)組的 故障類型無疑在很大程度上影響著故障

19、識(shí)別能 力，有些故障易于識(shí)別.相對(duì)較容易確診:有些則 難于判斷即診斷的準(zhǔn)確性和可靠性較差。根據(jù)不 同的分類標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器故障可以分為以下4類：（1）原發(fā)型故障和誘發(fā)型故障 一般情況 下，由于原發(fā)型故障常常隱藏于機(jī)器內(nèi)部因而不 易檢測(cè)。而誘發(fā)型故障則相對(duì)較易判斷。例如可 以通過譜圖、軸心軌跡等檢測(cè)出轉(zhuǎn)子失衡但是要 想判斷失衡的來源是積垢還是零件脫落或是其 它原因則相當(dāng)困難。（2）漸變型故障和突發(fā)型故障根據(jù)故障的 發(fā)生過程可以將突發(fā)型故障與漸變型故障區(qū)分 開來。目前盡管災(zāi)變理論已提出多年山，但是突 發(fā)型故障在實(shí)際中仍時(shí)有發(fā)生.因?yàn)檫@類故障難 于事先發(fā)現(xiàn)c4 8械工理系博士研究生、講師。研究方向?yàn)榇蠼Y(jié)構(gòu)焊

20、接變形的教值（）懼?jǐn)M發(fā)表論文9篇.趙海熬.男，1970年生。渣華大學(xué)機(jī)械工程3張文鏈 焊接傳熱學(xué) 北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1989:嚓志男.1974年生.清華大學(xué)（北京市100084）機(jī)1168-士研究生導(dǎo)師。蔡志雁女.1978年生。北京工業(yè)大學(xué)（北京市100022）材料學(xué)院碩士研究生系副敕授.鹿安理男.1936年生.渚華大學(xué)機(jī)械工程系教授、博（3）器質(zhì)故障和操作型故障機(jī)器故障也可 以依據(jù)機(jī)器零件失效和操作原因分類。有時(shí)，在開 始階段不恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)會(huì)引發(fā)機(jī)組劇烈振動(dòng). sources A new fonnula of hobgraphy reconstructbn is obtained ba

21、sed on the Kirchhoff integral fonnula Some tests are carried out using the new fonnula U sing Aooustic Hobgraphy, some interesting results are shown about the noise of a vehicle The results piuved that the A ooustical Hobgraphy is an effective method for vehicle's noise, and it can be used to st

22、udy the vehicle's noisc propogatbnKey words acoustic ho tograp hyno iscpropogatbn noise identiticatbn vehicleStudy on the on L be Uentfof Grkidkig Bum andW heel W ear Based on Rough Set Theory SH I J infei (Southeast U nivcrsity.N anji«g. Chi»a)ZHON G B iiigliii p 1151-1154Abstract A n

23、ew method of htclligent identificatbn of grinding burn and w heelw ear in grinding p iucess based on Rough Set Theory is studied in this paper The grinding chips fbw thennal signal by an m fra red detector is used as the original signal source for analysis* and Rough Set Theory is applied to acquire

24、 rules and finally to realize intelligent identification in grinding pmcess The experinental results show that the new method is feasible The new niethod using Rough Set Theory can be applied to the productbn pattern of large variety and snail batchKey words rough set grinding grinding w heel idcntf

25、icatbnOn L he Detect bn of Cylhder - to - Cylhder Nonun fomi It) ki AutcinotKe Enghes Ushg hstantineous Angubr Velocit) Signals L U Shiyuan (Huazhong U niversity of Science and Technology, Wuhan, China) DU Runsheng SH I Tielin YANG Shuzi p 1154-1158Abstract This paper proposes a technique for on lin

26、e detcctbn of cylinder - lo cylinder nonunilonn ity and incipient m isfire by mstantaneous angular vebcity signals in automotive engines Approxinating the engine dynamics as a single degree of freedom systan, a nonlinear engine model w hich relates the gas pressure torque and the cylinder pressures

27、to the crankshaft angular vebcity is derived By processing the model equation in the angular frequency dom a in, two d in en s b n le ss p a ran e te r s for the detectbn of cylinder to - cylinder nonunifonn ity and m isfire are defined The fast algor it lun s for extracting these parameters and the

28、 approaches to identify a m isfiring cylinder or cylinders are put fortli The cxperincntal results ill real world engines are presented. which thus verify the technique to be efficient and sinple in inplanentatbn It is fully anticipated that th is technique w ill provide a useful practical tool for

29、on line monitoring diagnosis and control of automotive engine pertonnanceKey words automotive engineconditionmonitoring fault diagnosis cylinder lo cylinder nonunifonn ity m isfire detectbninstantaneousangular vebcityElectron k Bushess Strategy of Manufacturkig h Ch haL 1 Xu (X i an J iaotong U nive

30、rsity. Xi an, Ch ilia) SUN Linyan WANG Yingluo p 1159-1161Abstract Electronic business provides more LXXV1-approaches to inprove the business process in (or between ) the corporatbns becausc it changes the rationality of the entire value chain Expand Business Process Reengineering is a fundamental m

31、ethods to take full advantage of electnonic business in in proving manufacturing perfbnnance This paper points out not only tour obstacles ill Chiiicsc m anufacturing inpkmenling EB, but also right steps for applying EB effectivelyKev words electronic business BPR (Business Process Reengineering) in

32、anufacturuig AM TA n htelligent M ethod for Setting of bijection Process Parameters J N Xiiigin in (South China U niversity of Technobgy. Guangzhou China) ZHU Xuefeng p 1162- 1164Abstract The setting of injection process Parameters is one that needs "trial and Error method and highly depends on

33、 the expertise of the experts or the operators In this paper an intelligent method for setting of mjectbn parameters is proposed Ii) this method lhe initial parameters are selected via case-based reasoning, then based on the defects caused by the injecti)n piucess an adjustmcnl of the paranictcrs is

34、 carried out by fuzzy inference Th is method can fully make use of the prevbus iiijeclbn experience and also can adjust the parameters sin ultaneously accordi»g to the defects A case study dan on st rated the effectiveness of the proposed methodKey words casebased reasoning fuzzy inference uite

35、lligent systemselling of injectbn processparametersResearch on Shi Ultude Pr he ip les of VVeldkig Temperature , Strah and Stress FieldsCA I Zhipeng(Tsiiighua U niversity,Beijing.China)ZHAO Haiyan LU A nli CA I Zhiyan p 1165-1168Abstract In the study of some special weIding structures, it is very difficult to measure tanperature. stress and defonnatbn directly A ne models w hich can be measured directly are used to optin ize working process in order to obtain high quali