数值模拟在爆炸焊接中的应用现状概述.docx

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1、数值模拟在爆炸焊接中的应用现状概述 摘 要 对爆炸焊接数值模拟技术发呈现状进行了综述，比较了几种常用软件和算法的特点，并阐述了爆炸焊接领域中的应用状况和存在问题。 关键词 爆炸焊接；数值模拟；概述 爆炸焊接过程具有瞬时性、高能量输出等特点，且原理困难，假如采纳常规方法来探讨爆炸焊接的过程和确定某些参数存在较大难度，即使借助某些高科技测试仪器，得到的测试结果往往也不能很精确，且须要投入大量的人力和物力资源。因此，采纳数值模拟方法探讨爆炸焊接则成为一种较好的选择。 数值模拟技术诞生于20世纪50年头。近年来，随着计算机硬件技术的快速发展，数值模拟技术也有了大幅度的提升，在爆炸焊接领域中的应用也日益

2、广泛。以当下的技术现状，通过高精度的数值计算来模拟爆炸焊接过程已经成为可能。本文从常用算法、探讨方向、已有成果等方面动身，综述了目前爆炸焊接数值模拟的探讨现状，并探讨了爆炸焊接数值模拟技术探讨中面临的问题和发展前景。 1 常用软件概述 爆炸焊接过程具有高速、大变形的特点，运用计算机模拟软件对其进行分析多采纳显示动力分析的方法，目前对其进行计算的主要软件有LS-DYNA、AUTODYN、ABUQUS等，其他如DYTRAN也有应用。 1.1 LS-DYNA LS-DYNA是世界上知名度极高的通用显式动力学计算软件，11016年在美国劳伦斯利弗莫尔国家试验室由J.O.Hallquist主持开发完成。

3、该程序能够模拟现实的各种困难物理状态，尤其适用于求解各种2D、3D非线性的高速碰撞、爆炸和金属材料成型等非线性动力冲击状况。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包1。 1.2 AUTODYN AUTODYN是一种显式非线性动力分析程序，适用于解决固体、流体、气体以及他们之间相互作用的非线性动力学问题，该方法的核心在于把困难的材料模型与流体结构程序的无缝结合，新一代有限元求解器求解更大型模型速度较快，而且能够与其他有限元求解器和CAE软件通用，因此AUTODYN的敏捷性得到大大提高，此外对振动和爆炸的应用案例求解供应了更高的精确度。 1.3 ABAQUS ABAQUS也是较为先进有限元分析软

4、件，适用于非线性动力学分析，能够分析困难的力学相互作用系统，尤其能够模拟高度非线性的困难问题。有文献认为，ABAQUS对爆炸与冲击过程的模拟相对不如LS-DYNA。 2 常用算法 爆炸焊接常采纳的算法有Lagrange法，Euler法，ALE，近些年来又出现了SPH法等。 2.1 Lagrange法 拉格朗日网格是固定在物体上随物体一起运动，因此物质点与网格点之间是相对固定的，这就在很大程度上简化了限制方程的求解过程，缩短了求解时间，而且能对对象的移动界面进行精确描述；但是对于大变形状况，尤其是分析流体动力学的时候，这种方法会造成有限元网格畸变，严峻时会导致计算终止。 2.2 Euler法 欧

5、拉算法网格固定在空间中不发生位移，在计算时材料会在固定的网格中流淌，因此在单元边界上会有质量的流入和流出，也会有动量和能量的输入和输出。基于此特点，欧拉算法尤其适合于大变形状况下的模拟。 2.3 ALE法 ALE法整合了拉格朗日和歐拉算法的优点，是一种优化的算法，可以允许网格畸变以及自由液面流淌状况下的模拟。 2.4 SPH法 光滑粒子流体动力学 方法近年来运用日益广泛，其优点在于模型由很多粒子组成，不会因为网格畸变、网格与材料的界面问题而计算错误，可以更好地求解高速碰撞算例。该方法应用于爆炸焊接中，能够很好地再现爆炸焊接过程中的界面波形貌。 3 技术探讨现状 3.1 原理及微观现象探讨 对原

6、理和微观现象的探讨一般多采纳SPH方法，并在细观小尺寸模型下进行探讨。 大连理工高校李晓杰利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析程序，建立了基于光滑粒子流体动力学方法的、包括Johnson-Cook材料模型以及Grneisen状态方程的热塑性流体力学模型，胜利模拟出了爆炸焊接界面波的形貌。 北京理工高校陈鹏万等采纳了SPH方法胜利地进行了铝镁复合板爆炸焊接的数值模拟。探讨指出在运用较小的焊接工艺参数时，出现了平直型的结合界面，并且没有出现射流。当间距增大时，可以视察到波形界面，但是没有射流出现。当药厚和间距均增大时，可以看到带有漩涡的波形界面，而且有射流从母材喷射出。当药厚和间隙进一步增大，

7、界面波的波幅和波长均有增大，并且在漩涡中心形成小孔洞。江苏高校刘江等运用非线性显示动力学分析软件AUTODYN模块中的光滑粒子动力学方法对基、复板斜碰撞过程做了二维模拟计算，视察到了射流现象和界面成波现象，并揭示了在整个模拟过程中剪切应力、有效塑性变形、温度以及其他材料的物理性能参数随时间改变的规律2-4。 A.Akbari Mousavi等借助AUTODYN-2D软件运用有限元方法模拟了爆炸焊接中波状界面的产朝气理，并对波状界面的涡流参数进行了定量分析，认为剪力流和和周期性波动是产生波状界面的重要因素，指出波状界面的波幅波长比与涡流状区域中心的纵间距与横间距比值分别约为常数0.3和0.22的

8、结论。 Katsumi Tanaka运用SPH方法模拟爆炸焊接，并得出金属复合板的力学性能可由碰撞速度和碰撞角来限制的结论。 3.2 爆炸现象的探讨 宏观现象的模拟主要是在大模型下，针对界面压力及分布、过程速度、应力、复板位移等参数的模拟。 西安交大张之颖运用ANSYS/Ls-DYNA并采纳足尺模型，对大幅钛钢复合板脱焊问题进行了模拟。发觉了爆炸焊接时的褶皱现象，是钛材料特性、炸药起爆方式和板幅尺寸三方面因素共同作用的结果。 薛志国等运用ANSYS/LS-DYNA有限元程序对大面积钛/钢复合板进行了模拟分析，可以直观看到大板在爆炸焊接过程中随意时间下的碰撞压力、应力、位移云图和节点位移。 王宇

9、新编写了基于MPM法的数值模拟软件SPS 2.0，并在该程序下对爆炸焊接问题进行模拟，分析了爆轰载荷作用下的飞板和基板的金属动态变形过程，并对飞板的碰撞点速度和爆轰压力改变进行了计算。 Mohammad在利用ABAQUS有限元软件进行爆炸焊过程的模拟时，提出有限元网格尺寸可在肯定程度上影响射流，而这对爆炸焊接模拟的成败起到确定性作用。Grignon在2004年采纳Raven程序模拟了6061铝合金的爆炸焊接问题，通过变更基复层间距来改变碰撞角，并得出结论基复板间距和碰撞角的大小干脆影响焊接界面的状态5-11。 隋国发等采纳LS-DYNA有限元程序对钢-铜双层圆管爆炸焊接进行了模拟，重点探讨了炸

10、药量和焊接界面、覆管承受爆轟和碰撞压力的关系，以及基复管碰撞速度和能量的影响，提出了碰撞角和基复管碰撞速度必需足够大才能实现结合。 4 现存问题及发展前景展望 就目前探讨现状来看，多为对爆炸焊接机理与宏观参数的模拟，对相关科研人员深化理解爆炸焊接是有主动作用的。然而，对于爆炸焊接生产中出现的问题，如材料断裂、特征部位脱焊等问题方面的探讨，目前极少有人涉及。随着计算机技术的进一步发展与爆炸焊接生产技术的需求，这将是爆炸焊接模拟技术发展的重要方向。 参考文献 1 A.Akbari Mousavi，Al-Hassani STS. Simulation of explosive welding usi

11、ng the Williamsburg equation of state to model low detonation velocity explosivesJ. International Journal of Impact Engineering ，2022，31：739-734. 2A.Akbari Mousavi， Burley SJ，Al-Hassani STS.Simulation of explosive welding with anfo mixturesJ. Propellants，Explosives，Pyrotechnics，2004，29：188-196. 3 Ta

12、naka K. Numerical Studies on the Explosive Welding by Smoothed Particle Hydrodynamics C. Aip Conference. American Institute of Physics，2022：1301-1304. 4 李晓杰，莫非，闫鸿浩.爆炸焊接倾斜碰撞过程的数值模拟J.高压物理学报，2022，25：173-176. 5 张之颖，彭磊，刘润生，等.大幅板爆炸焊接脱焊问题的数值模拟J. 爆炸与冲击，2022，32：51-54. 6 薛治国.大面积钛钢复合板爆炸焊接过程的有限元模拟与分析D.西安：西北工业高校

13、，2022：1-9. 7 刘江，郑远远，沈宗宝，等.基于SPH方法的爆炸焊接过程模拟J. 焊接技术，2022，42：17-20. 8 王宇新，孙明，杨文彬，等.双金属爆炸焊接窗口计算机仿真J. 爆破器材，2002，31：29-31. 9 Grignon F，Benson D，Vecchio K S，et al.Explosive welding of aluminumtoaluminum：analysis，computations，and experimentsJ.International Journal of ImpactEngineering，2004，30：1333-1351. 10

14、隋国发，李金山，马贝，等.炸药量对双层圆管爆炸焊接影响的数值模拟J.材料科学与工艺，2022，18：741-745. 11 Mohammad Tabatabaee Ghomi，Jafar Mahmoudi，Abolfazl Khalkhali，etal. Explosive Welding of Unequal Surface Using Groove MethodJ.Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering，2022，36：113-125. 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页