哈尔滨工业大学
《材料加工过程数值模拟基础》实验课程
25号钢平板对接焊温度场数值模拟
实验报告
姓名：王保全
学号：14SD09004
班级：焊接一班
材料科学与工程学院
ANSYS及其应用
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，能够进行包括结构、热、声、流体、电磁热场等科学的研究。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。
ANSYS的功能
ANSYS的功能如下：
①建立计算模型或者输入结构、产品、组件或系统的CAD模型。
②应用施加载荷或者其他设计条件。
③研究模型的物理相应，如应力水平、温度分布或者电磁场等。
④对产品进行优化设计，以降低产品的费用。
⑤做数值模拟实验。
ANSYS包括100多个单元，提供了对各种物理场的分析功能，可以将其应用于如下学科：结构分析、热分析、高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA）、流体静力学和动力学分析（FLOTRAN）、电磁场分析、声学分析、压电分析、多长耦合分析、设计灵敏度及优化分析。
ANSYS的设计优化功能允许优化任何方面的设计变量和约束变量，如形状、应力、自然频率、质量、费用、温度、次势、压力、速度或离散量等，可进行参数、形状、拓扑优化。
ANSYS的特点
ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几个方面：
①能实现多场及多场耦合分析。用户不但可用其进行诸如结构、热、流体
流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些问题的相互影响研究。例如：热-结构耦合，磁-结构耦合以及电-磁-流体-热耦合等。
②实现前后处理、求解和多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件。
③具有多物理场优化功能的FEA软件。
④强大的并行计算功能支持分布式并行和共享内存式并行。
⑤多种自动网格划分技术。
⑥良好的用户开发环境。ANAYS综合应用菜单、对话框、工具条、命令并行
输入、图形化输出等多种方式，从而使应用更加方便。
⑦方便的二次开发功能。应用宏、参数设计语言、用户可编程特性、用户
自定义界面语言、外部命令等功能，可以开发个性化的应用程序。
ANSYS的结构
ANSYS主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便的构建有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦
和分析，可模拟多种物理介质的的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
ANSYS有限元分析
下面以平板对接焊的温度场分析为例详细解析ANSYS有限元分析。焊接材料为25号钢，平板尺寸为120mm×60mm×6mm，施加热源为高斯热源，热源的有效半径为6mm。焊接工艺参数如表1所示。
表1焊接工艺参数
各种有限元软件都是由前处理、计算过程和后处理三个模块组成，但具体到每个软件其具体界面以及操作方式并不一样。下面详细解析利用ANSYS分析该问题的操作过程。
（1）定义分析路径
点击ANSYS Product Launcher，如图1所示。在Simulation Environment 中选ANSYS，在License中选ANSYS Multiphysics，定义ANSYS的分析环境。然后定义工作目录，在Working Directory中通过点击Browse定义分析，然后定义文件名，可在Job Name中更改文件名，本例中选用file为文件名。然后点击run进行分析。
图1定义分析路径
（2）设定标题
从实菜单选择File | Change title命令，将弹出Change title对话框，在enter new title中输入标题，点击OK按钮完成标题的定义，如图2所示。
图2定义标题
（3）选择菜单过滤参数
从主菜单中选择Preference命令，将弹出Preference for GUI Filtering （菜单过滤参数选择）对话框，如图3所示。选中Thermal复选框，点击OK按钮确定。
图3菜单过滤参数选择
（4）定义单元类型
进行有限元分析时，首先应根据问题的几何结构、分析类型和所分析问题的精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本例中选用热分析单元类型SOLID70，为了划分网格的需要还选用单元类型Mesh200。Mesh200单元类型划分网格生成的单元和节点在求解中是无效的，即不会对这些单元和节点求解。
从主菜单中选择preprocessor|element type|add/edit/delete,将弹出element type（单元类型）对话框。
点击add按钮，将弹出Library of element type（单元类型库）对话框，如图4所示。然后在左边的列表中选择Solid选项，选择实体单元类型。在右边的列表中选择Brick 8node 70选项，选择把节点实体单元类型Solid70。Element type reference number输入1，即定义单元类型号为1。
图4单元类型对话框
点击OK按钮，将Solid70单元添加，如图5所示。然后再点击Add按钮添加Mesh200单元类型。再次进入单元类型库，如图6所示。
图5单元类型图6定义Mesh200单元类型
在左边的列表中选择Not Solved，在右边的列表中选择Mesh200单元类型。点击OK按钮进入单元类型对话框，如图7所示。选择Mesh200单元类型，点击Options按钮，进入MESH200 element type options，如图8所示。在Elenment shape and # of node K1中选择QUAD4-NODE,即定义Mesh200为平面四节点单元类型，点击OK即可。返回Element Type对话框，然后点击Close按钮，关闭单元类型对话框。
图7单元类型图8定义Mesh200单元类型
（5）定义单位
在本例的有限元分析工程中，分析过程中选用国际单位制，点击主菜单Preprocessor|Materials props|Select units，弹出对话框，如图9所示，选择SI(MKS),定义国际单位制，然后点击OK按钮确定。定义角度单位为度，点击菜单Parameters|Angular units，弹出对话框，如图10所示，选择角度单元Degree DEG,然后点击OK按钮，完成对单位的定义。
图9定义国际单位图10定义角度单位
（6）定义材料参数
从主菜单中选则Preprocessor|Material props|Materialmodels命令，将弹出Define Material Model Behavior（定义材料模型）属性窗口，如图11所示。
图11定义材料模型属性窗口
依次双击Thernal |Conductivity |Isotropic，展开材料属性的树形结构，将弹出材料热传导定义对话框。因为本例中要输入不同温度下的材料参数，所以点击Add Temperature按钮，增加不同温度下的热传导数值，如图12所示。在KXX文本框中输入不同温度下的热传导参数后，点击OK按钮，返回定义材料模型属性窗口。
图12各项同性材料的热传导定义
依次双击Thermal |Specific heat，展开材料属性的树形结构，将弹出材料比热定义对话框。因为本例中要输入不同温度下的材料参数，所以点击Add Temperature按钮，增加不同温度下的热传导数值，如图13所示。在C文本框中输入不同温度下的比热参数后，点击OK按钮，返回定义材料模型属性窗口。
依次双击Thermal |Density，展开材料属性的树形结构，将弹出材料密度定义对话框。因为本例中要输入不同温度下的材料参数，所以点击Add Temperature 按钮，增加不同温度下的密度数值，如图14所示。在DENS文本框中输入不同温度下的密度参数后，点击OK按钮，返回定义材料模型属性窗口。
图13各向同性材料的比热定义
图14各向同性材料的密度定义
在Define Material Model Behavior窗口中，从菜单中选择Material|Exit 命令，或者单击窗口右上角的X按钮，完成材料模型的定义。
（7）建立实体模型
在建立模型的过程中，应考虑到后面的有限元网格划分。而且在焊接模拟中，焊缝及其附近的网格采用较密的网格划分，而离焊缝较远的位置采用较疏的网格。
首先定义模型的标量参数。单击菜单Parameter|Scalar Parameter,在Selction中输入LENGTH=0.12，点击Acecept按钮，完成对长度参数的定义。然后依次输入WIDTH=0.06，HEIGHT=0.006，RB=0.002，U=25，I=180，V=0.01,EFF=0.75，R=0.006，q=U*I*EFF,x_center=0,y_center=0,如图15所示。最后点击Close按钮，完成对各个参数的定义。
建立模型，点击主菜单Preprocessor|Modeling|Volumes|Block|By dimension，弹出创建实体对话框，在其中输入各个尺寸参数，如图16所示，建立模型如图17所示。
点击主菜单Preprocessor|Modeling|Volumes|Block|By dimension建立两个过渡实体，如图18所示，命令流为：
block,0,2*rb,3*rb,5*rb,0,-height
block,2*rb,4*rb,3*rb,5*rb,0,-height
图15定义标量参数
图16定义实体对话框
图17有限元模型
图18有限元过渡实体模型图19有限元网格划分模型
指定各个过渡实体的线的网格划分。然后通过APDL语言声称其他的实体，如图19所示。命令如下：
vsel,s,,,2,3 !!!!此实体为所建立的过渡实体
cm,vl,volu
allsel,all
*do,i,1,14,1
vgen,2,v1,,,i*4*rb,,,,1,0,
*enddo
依照上面的方法，建立随后的实体模型，如图20所示。点击主菜单Preprocessor|Numbering ctrls| Merge items，弹出关键点压缩菜单，在Label 选择关键点，然后点击OK按钮完成压缩，如图21所示。
图20实体模型图21关键点压缩
点击Moddeling|Booleans|Glue|Volumes，弹出Glue Volumes对话框，如图22所示，点击Pick all，对所建立的模型进行布尔运算，即把所有的模型粘在一起。
（8）网格划分
对焊缝实体进行网格划分，首先选择焊缝区域的实体，点击实菜单
Select|Entities，选择实体Volumes-By location-Y coordinate，分别在最小值、最大值文本框中输入最大值和最小值——0,3*rb，点击OK按钮完成对实体的选择，如图23所示。
图22体的布尔运算图23选择实体
然后对实体进行网格划分。随后对过渡单元进行网格划分。依次对其他的实体进行网格划分，最后实体的网格划分的情况如图24所示。
图24模型的网格划分
（9）有限元求解
点击主菜单Solution|Analysis type|New analysis，弹出分析类型对话框，如图25所示。选择Transistent复选框，点击OK按钮，弹出瞬态分析对话框，如图26所示，点击OK即可。
打开自动时间步长，点击Solution|Load step
opts|Time/frequent|Time-time step，弹出对话框，如图27所示，在AUTOTS 中选择ON,然后点击OK按钮。
定义热源函数，点击菜单Parameter|Function|Define/Edit，弹出Function Editor对话框，如图28所示。在Result文本框中输入高斯热源的函数表达式，然后点击File|Save保存文件。
随后点击Parameter|Functions|Read from file，选取刚刚命名的函数表达式。在Table parameter name中命名arc，在Constant Values中输入各个参数，点击OK按钮，完成函数的定义。
图25分析类型
图26瞬态分析选项
图27自动时间步长
图28焊接编辑器
施加对流换热系数。点击
Solution|Defineloads|Apply|Thermal|Convection|On nodes,弹出施加热流对话框，如图29所示。在VALI文本框中输入10，在VAL2I文本框中输入20。在除对称面外的平面上施加对流换热系数，如图30所示。
图29施加热流对话框
图30施加对流换热系数
施加热源函数，采用APDL语言。程序如下：*do,i,1,60,1
x_center=i*rb
y_center=0
arc(5,0,1)=x_center
arc(6,0,1)=y_center
local,11,0,i*rb,0,0,,,,,,
n sel,s,loc,x,-r,r
n sel,r,loc,y,0,r
n sel,r,loc,z,0
sfdele,all,con v
sf,all,hflux,%arc%
csys,0
allsel,all
t=t+tin c
time,t
deltim,0.05,0.05,0.1
autots,on
kbc,0
outres,n sol,last
solve
allsel,all
local,11,0,i*rb,0,0,,,,,,
n sel,s,loc,x,-r,r
n sel,r,loc,y,0,r
n sel,r,loc,z,0
sfdele,all,hflux
sfdele,all,con v,10,20
allsel,all
*enddo
（10）后处理
热源最高温度为2490℃。图31所示为焊接冷却后的温度场分布情况
图31焊接冷却后的温度场分布
内蒙古科技大学 本科生课程论文 题目：焊接过程数值模拟的发展 学生姓名：孑然De90后 学号：096110。。。。 专业：材料成型及控制工程 班级：成型09—1班 指导教师：
焊接过程数值模拟的发展 摘要: 介绍了焊接数值模拟技术在焊接接头微观组织分析、焊接温度场分析、焊接应力应变分析、氢扩散分析方面的研究现状，并对焊接数值模拟技术在这几方面的模拟方法、原理及模型的建立进行了较为详细的介绍，最后，对我国焊接数值模拟技术的发展进行了展望。 焊接数值模拟方法一直是研究和电阻点焊过程的有效方法。详细介绍了焊接过程数值模拟技术的研究现状和进展。并指出了焊接过程数值模拟及应用的发展方向。 关键词：焊接；微观组织；温度场；数值模拟 The Welding Process of The Development of Numerical Simulation Abstract: This article introduced research status of welding numerical simulation technology from several aspects，suchas microstructure analysis on welding joints，welding temperature field analysis，welding stress and strain analysis，researchstatus of hydrogen diffusion。and detailedly introduced its simulation method，principle and modeling．Finallytheprospect of China welding numericM simulation technology is carried out． Welding numerical simulation methods has been research and the effective method of resistance spot process. Detailed introduces the welding process of numerical simulation technology research and progress. And points out the welding process and application of the numerical simulation development direction. Key words: welding；microstructure；temperature field；stress-strain；hydrogen diffusion；numerical simulation 1引言 1.1 背景 焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程，单纯采用理。
数值模拟在焊接领域的现状和发展前景 焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程，单纯采用理论方法，很难准确的解决生产实际问题。因此，在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，其模式为“理论—试验—生产”，但大量的焊接试验增加了生产的成本，且费时费力。随着计算机软硬件技术的快速发展，引发了虚拟制造技术的热潮，这其中就包括焊接热加工过程的数值模拟。焊接数值模拟技术的出现，为焊接生产朝“理论—数值模拟—生产”模式的发展创造了条件。焊接数值模拟技术的发展使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。 焊接数值模拟，是以试验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程。而焊接物理模拟是采用缩小比例或简化了某些条件的模拟件来代替原尺寸形状的实物研究。物理模拟可以校验、校核数值模拟的结果，作为数值模拟的必要补充。 数值模拟是对具体对象抽取数学模型，然后用数值分析方法，通过计算机求解。经过几十年的发展，开发了许多不同的科学方法，其中有：（1）差分法法；（2）有限元法；（3）数值积分法；（4）蒙特卡洛法。 目前，焊接数值模拟已遍及各个焊接领域，主要研究内容有：（1）焊接热传导分析；（2）焊接熔池流体动力学；（3）电弧物理；（4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测；（5）焊接应力与变形；（6）焊接过程中的氢扩散；（7）特殊焊接过程的数值分析，如电阻点焊、陶瓷金属连接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等；（8）焊接接头的力学行为。 焊接数值模拟的理论意义在于，通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和对极端情况下尚不知的规则的推测和预测，实现对复杂焊接现象的模拟，以助于认清焊接现象本质，弄清焊接过程规律。焊接数值模拟的现实意义在于，根据对焊接现象和过程的数值模拟，可以优化结构设计和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接接头的质量。 我国焊接界数值模拟研究起步于80年代初，近年来很多的科研单位和个人投入到了这项研究中，并取得了积极的进展。国内也开发了不少焊接应用软件，包括焊接专家系统。所谓专家系统就是把某一领域的人类专家知识，存储在计算机的知识库中，通过系统进行推理，使计算机能够以和人类专家相近的水平解决该领域的问题。如清华大学开发的通用型弧焊工艺专家系统、哈工大和哈锅开发的焊接工程数据库及专家系统、太原重机厂研制的焊接工艺规程设计CAPP系统等。此外，一些高等院校和企业还开发了焊接裂纹预测系统、焊接变形预测系统、焊条配方优化设计系统、有缺陷焊接结构计算机辅助可靠性评定系统等。 计算机具有非常强大的数学计算和逻辑推理能力，可以模拟各种复杂现象的再现。通过数值模拟，可以部分代替大量的试验工作，具有很大的优越性和高的效益。焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，要得到一个高质量的焊接结构必须要控制这些因素。近20年来，国内外都对焊接预测理论和数值模拟技术进行了许多研究，取得了不少成果。 焊接过程模拟包括焊接熔池模拟和焊接电弧传热传质过程模拟等。关于焊接熔池中的流体流动和传热过程，国内外已做了不少研究工作。认为影响熔池流动的主要因素有：电磁力、表面张力和自然对流等。德国 Aachen大学ISF焊接研究
ABAQUS Q 焊接领域解决方案
https://www.doczj.com/doc/ec10658788.html,
主要内容
1
国内外焊接变形预测方法
2
固有应变焊接预测法
3
基于热弹塑性理论的焊接预测法
4
Ab Abaqus 针对焊接行业的解决方案
自 始 至 终
安 心 托 付
2
主要内容
1
国内外焊接变形预测方法
2
固有应变焊接预测法
3
基于热弹塑性理论的焊接预测法
4
Ab Abaqus 针对焊接行业的解决方案
自 始 至 终
安 心 托 付
3
焊接变形预测的重要性
焊接是船舶制造最主要的加工手段，焊接水平的高低在很大 程度上决定了船体的质量和生产效率，而焊接变形又是焊接过程 中最 中最难控制的一环。 焊接变形的影响： ? 焊接结构形状变异，尺寸精度下降； ? 承载能力降低； ? 船体在工作载荷作用下引起的附加弯矩和应力集中作用下导 致结果失效； ? 船舶结构疲劳降低。 船舶结构疲劳降低 因此，对焊接变形的预测及控制已成为船舶生产中迫切需要 解决的重要课题。
自 始 至 终
安 心 托 付
4
国内外焊接变形的预测方法 1. 经验（试验）法
经验（实验）法是通过试验建立经验公式和数据曲线，用经验公式 和数据曲线来估计焊缝的收缩量和角变形量。 和数据曲线来估计焊缝的收缩量和角变形量 局限性： z 一定条件下的试验或生产实际中得到的，一般被限制在特定的 变形模式上； 变形模式上 z 实验受到时间和成本的限制。真实结构的复杂焊接变形是由多 个基本变形组合而成的。每个基本变形不可能通过有限的实验 结果来区分。
自 始 至 终
安 心 托 付
5
《焊接过程的数值模拟》课程简介 课程编号：02044906 课程名称：焊接过程的数值模拟/ Numerical simulation of welding process 学分:2 学时：32 （课内实验(践)：上机：16 课外实践：） 适用专业：焊接技术与工程专业 建议修读学期：7 开课单位：材料科学与工程学院材料加工工程系 课程负责人：卢云 先修课程：焊接冶金学、计算机基础、VB语言及程序设计 考核方式与成绩评定标准：采用平时成绩+上机考试成绩相结合的方式，平时成绩占课程考核成绩的50%，平时成绩考核采用作业、上机实验和报告相结合的方式；上机考试成绩占课程考核成绩的50%。 教材与主要参考书目： 主要参考书目：1、焊接数值模拟技术及其应用，汪建华，上海交通大学出版社，2003 2、计算材料学，D.罗伯编著，项金钟、吴兴惠译，化学工业出版社，2002 内容概述： 本课程初步介绍焊接过程中数值模拟技术的一些基本原理，基本方法，研究进展和研究内容。初步探讨使用有限元软件作为平台实现焊接的数值模拟过程。重点介绍焊接热传导在有限元程序中的使用及应用。通过本课程的学习，使学生了解焊接数值模拟的基本方法，学会综合运用其它方面的知识来实现简单焊接过程的数值模拟，并能够对模拟的结果进行有效的分析。初步具备分析和解决焊接工程问题的能力。 This course introduces some basic principles, methods, research progress and contents of the numerical simulation technology in the welding process. The realization of numerical Simulation of welding based on finite element software platform is also discussed briefly. The application of welding heat conduction in the finite element program is emphasized on. Through this course, the students should understand the basic methods of numerical simulation of welding, learn the integrated use of the knowledge of other aspects to achieve a simple welding numerical simulation, and can effectively analyze the simulation results. This course is to present the practical analysis and solve for welding engineering problems.
数值模拟在焊接中的应用 摘要：焊接是一复杂的物理化学过程,借助计算机技术,对焊接现象进行数值模拟,是国内外焊接工作者的热门研究课题,并得到了越来越广泛的应用。概括介绍了数值分析方法,综述了国内外焊接数值模拟在热过程分析、残余应力分析、焊接热源分析方面的研究现状及发展趋势。 关键词：焊接；数值模拟；研究现状 焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程,单纯采用理论方法,很难准确的解决生产实际问题。因此,在研究焊接生产技术时,往往采用试验手段作为基本方法,其模式为“理论—试验—生产”,但大量的焊接试验增加了生产的成本,且费时费力。计算机技术的飞速发展给各个领域带来了深刻的影响。结合数值计算方法和技术的不断改进，工程和科学中越来越多的问题都可以采用计算机数值模拟的方法进行研究。采用科学的模拟技术和少量的实验验证，以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模拟解决一些目前无法在实验室里直接进行研究的复杂问题。用数值方法仿真实际的物理过程，有时被称为“数值实验”。作为促进科学研究和提高生产效率的有效手段，数值实验的地位已经显得越来越重要了。在工程学的一些领域中，已经视为和物理实验同等重要。与焊接生产领域采用的传统经验方法和实验方法相比，数值模拟方法具有以下优点： （l）可以深入理解焊接现象的本质，弄清焊接过程中传热、冶金、和力学的相互影响和作用； （2）可以优化结构设计和工艺设计，从而减少实验工作量，缩短生产周期，提高焊接质量，降低工艺成本。 一、焊接数值模拟中的数值分析方法 数值模拟是对具体对象抽取数学模型,然后用数值分析方法,通过计算机求解。经过几十年的发展,开发了许多不同的科学方法,其中有：(1)解析法,即数值积分法；(2)蒙特卡洛法； (3)差分法；(4)有限元法。数值积分法用在原函数难于找到的微积分计算中。常用的数值积分法有梯形公式、辛普生公式,高斯求积法等。蒙特卡洛法又称随机模拟法。即对某一问题做出一个适当的随机过程,把随机过程的参数用由随机样本计算出的统计量的值来估计,从而由这个参数找出最初所述问题中的所含未知量。差分法的基础是用差商代替微商,相应的就把微分方程变为差分方程来求解。差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题,其程序设计和计算简单,易于掌握理解,但这种方法往往局限于规则的差分网格,不够灵活。在焊接研究中差分法常用于焊接热传导、熔池流体力学氢扩散等问题的分析。有限元法起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析,现在它已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域,有限元法已经广泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等。在工程应用中,上述数值方法常相互交叉和渗透。 二、焊接熔池的传热与流体流动模拟进展 焊接熔池的传热和流体流动计算机模拟是焊接模拟领域的一个重要领域,同时也是焊接冶金模拟中最为复杂的一个方向之一。因为焊接过程中大部分非平衡的物理、化学反应都在短时间内集中在焊接熔池这一局部高温区域内,这部分区域存在着很大程度上的成分、组织和性能的不均匀性。而对焊接熔池的物理测试十分困难,且费用大,因此大部分的研究是基于数值模拟的基础进行的。对焊接熔池的数值模拟有助于人们从更深层次上理解焊接过程的物理实质,模拟的结果有利于实现对焊接过程的控制。但目前关于焊接熔池的传热与流体流动模型都是建立在大量的假设和简化基础上的[1~3],因而模拟结果与实际有一定的出入,需要
电阻点焊过程数值模拟技术研究进展及应用 摘要：数值模拟方法一直是研究和电阻点焊过程的有效方法。详细介绍了电阻 点焊过程数值模拟技术的研究现状和进展及其工业应用。并指出了电阻点焊过程数值模拟及应用的发展方向。 1 引言 电阻点焊以其生产效率高、焊接质量易保证、易实现自动化等优点而在汽车、航空及航天等工业领域获得了广泛的应用【1】。然而电阻点焊又是一个高度非线性的电、热、力等变量作用的耦合过程，其中包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等，且电阻点焊熔核形成过程的不可见性和焊接过程的瞬时性给试验研究带来了很大困难，使人们对电阻点焊的过程机理一直缺乏比较深入的认识。计算机技术和数值模拟技术的发展为电阻点焊研究提供了有效的理论分析手段，国内外的学者一直在尝试利用数值模拟的方法来研究点焊过程，已相继建立了许多数值模型，并取得了很多突破。 2 点焊过程数值模拟分析方法的演化过程【2】 数值模拟技术应用于电阻点焊源自20 世纪60 年代，研究者们依据描述力、热、电过程的基本方程并对方程中参数变化和边界条件进行简化和假设，建立了点焊过程的数学模型，进而用数值模拟的方法对点焊过程温度场、电流场、电势和应力、应变场进行求解，用以研究点焊过程机理。其分析方法从有限差分发展到有限元，模型从一维发展到三维，从单场分析发展到多物理场耦合分析，考虑的因素越来越多并且越来越接近实际。学者Chang 【3】对此有过详细的总结。总的来说，点焊数值模拟分析方法的演化大致可以分为以下4个阶段。 （1）有限差分法【3】。有限差分法在早期对碳钢电阻点焊电热分析中应用得非常多。其优点是计算简单，收敛性好，但是有限差分法无法求解力学问题。 因此，焊接过程中的力效应和热电效应的相互作用无法通过有限差分法来表征和求解。 （2）有限单元法【3】。1984 年，学者Nied 【4】首次采用有限单元法来模拟电阻点焊过程中的预压阶段和通电阶段，他指出忽视预压阶段接触半径的变化是产生后续误差的根源，并通过计算获得了预压阶段电极和工件（E ／W）及工件之间（W／W）的实际接触面积，并以此计算结果来进行热、电耦合分析。与有限差分法相比，有限单元法充分考虑了电极压力对焊接 过程中电极和工件、工件之间接触状态的作用。但是， Nied 的分析方法仍忽视了电极压力对电流密度和接触电阻的影响。 （3）完全耦合的有限元法【3】。1993 年，Syed 等【5】意识到焊接阶段由于电极压力和受热区热膨胀的相互作用，W／W 界面的实际接触面积会不断发生 变化。因此，他们提出了一种将电热分析和热力分析反复迭代、完全耦合的“电一热一力”分析方法。这种完全耦合的算法在理论上是严谨而精确的，它是电阻点焊数值建模方法的一次重大突破。然而这种分析方法计算 量巨大，并有可能产生无法收敛的数学问题。 （4）增量耦合的有限元法。它是Browne 【6】于1995年提出的一种更加稳健的算法，将热力分析得到的接触状态结果以时间步长为增量更新到电热分析
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展现状进行了综述，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情况和存在问题。 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，且原理复杂，如果采用常规方法来研究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，且需要投入大量的人力和物力资源。因此，采用数值模拟方法研究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年代。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、研究方向、已有成果等方面出发，综述了目前爆炸焊接数值模拟的研究现状，并探讨了爆炸焊接数值模拟技术研究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，使用计算机模拟软件对其进行分析多采用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，1976年在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室由J.O.Hallquist主持开发完成。该程序能够模拟现实的各种复杂物理状态，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情况。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、气体以及他们之间互相作用的非线性动力学问题，该方法的核心在于把复杂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的灵活性得到大大提高，此外对振动和爆炸的应用案例求解提供了更高的精确度。 1.3 ABAQUS ABAQUS也是较为先进有限元分析软件，适用于非线性动力学分析，能够
焊接数值模拟文献综述 摘要 焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲)，而且焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力影响构件的变形和焊接缺陷，而且在一定程度还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。因此对焊接温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但仅从实验角度研究焊接热应力和焊后残余应力和变形问题难度很大，无前瞻性，不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响，客观评价焊接质量。在研究焊接生产技术时，往往采用试验手段作为基本方法，但大量的试验增加了生产成本，耗费人力物力，尤其在军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中，任何尝试和失败都将造成重大经济损失，而数值模拟将发挥其独特的能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞速发展，为数值模拟技术提供了有力的工具，很多焊接过程可以采用计算机数值模拟。随着差分法、有限元法的不断完善，焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。 随着计算机技术发展，20世纪末提出了计算机模拟的手段，为热加工包括焊接技术的发展创造了有力的条件。焊接过程数值模拟可包括以下几个方面：(1)焊接热过程；(2)焊缝金属凝固和焊接接头相变过程；(3)焊接应力和应变发展过程；(4)非均质焊接接头的力学行为； (5)焊接熔池液体流动及形状尺寸；(6)重大结构及其部件的应力分析。利用这种方法可以展望21世纪热加工的研究模式将转变为“理论——计算机模拟——生产”，从而大大提高焊接和材料热加工的科学水平，节约用于实验研究的人力、财力。焊接变形预测方法大多基于有限元分析。近年来，随着计算机软、硬件和有限元法的发展，焊接三维数值模拟的研究成为该领域的前沿，三维焊接热应力和残余应力演化虚拟分析技术也逐渐发展起来。计算机硬件的发展为焊接过程的模拟和工程预测创造了条件，现在Pc机的性能己和十几年前的小型机、中型机性能相差无几，对于简单的、结构不是很复杂的焊接结构可以在PC机上实现其模拟过程。
焊接数值模拟技术发展现状 吴言高1, 李午申1, 邹宏军2, 冯灵芝1 (1.天津大学材料科学与工程学院,天津 300072; 2.攀钢集团钢城企业总公司协力公司,四川攀枝花 617000) 摘 要:焊接是一复杂的物理化学过程,借助计算机技术,对焊接现象进行数值模拟,是国内外焊接工作者的热门研究课题,并得到了越来越广泛的应用。概括介绍了数值模拟技术的概念及分析方法和焊接数值模拟的主要内容及意义,综述了国内外焊接数值模拟在热过程分析、冶金分析、应力应变分析、构件使用性能分析、氢扩散分析、特种焊接过程分析方面的研究现状及发展趋势,对我国焊接数值模拟技术的发展提出了建议。 关键词:焊接;数值模拟;研究现状 中图分类号:TG40 文献标识码:A 文章编号:0253-360X(2002)03-89- 04 吴言高 0 序 言 焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程,单纯采用理论方法,很难准确的解决生产实际问题。因此,在研究焊接生产技术时,往往采用试验手段作为基本方法,其模式为 理论试验生产!,但大量的焊接试验增加了生产的成本,且费时费力。随着计算机软硬件技术的快速发展,引发了虚拟制造技术的热潮,这其中就包括焊接热加工过程的数值模拟。焊接数值模拟技术的出现,为焊接生产朝 理论数值模拟生产!模式的发展创造了条件。焊接数值模拟技术的发展使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。 1 焊接数值模拟基础 1.1 焊接数值模拟概念 焊接数值模拟,是以试验为基础,采用一组控制方程来描述一个焊接过程或一个焊接过程的某一个方面,采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识(如焊接温度场、焊接热循环、焊接HAZ的硬度、焊接区的强度、断裂韧性等)。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程(本构关系)。而焊接物理模拟是采用缩小比例或简化了某些条件的模拟件来代替原尺寸形状的实物研究(如焊接热/力物理模拟、密栅云纹法分析应力应变、氢的瞬态分布电视录象)。物理模拟可以校验、校核数值模拟的结果,作为数值模拟的必要补充。 收稿日期:2001-12-261.2 焊接数值模拟中的数值分析方法 数值模拟是对具体对象抽取数学模型,然后用数值分析方法,通过计算机求解。经过几十年的发展,开发了许多不同的科学方法,其中有:(1)解析法,即数值积分法;(2)蒙特卡洛法;(3)差分法;(4)有限元法。 数值积分法用在原函数难于找到的微积分计算中。常用的数值积分法有梯形公式、辛普生公式,高斯求积法等。 蒙特卡洛法又称随机模拟法。即对某一问题做出一个适当的随机过程,把随机过程的参数用由随机样本计算出的统计量的值来估计,从而由这个参数找出最初所述问题中的所含未知量。 差分法的基础是用差商代替微商,相应的就把微分方程变为差分方程来求解。差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题,其程序设计和计算简单,易于掌握理解,但这种方法往往局限于规则的差分网格,不够灵活。在焊接研究中差分法常用于焊接热传导、熔池流体力学、氢扩散等问题的分析。 有限元法起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析,现在它已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域,有限元法已经广泛的用于焊接热传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断裂力学分析等。 在工程应用中,上述数值方法常相互交叉和渗透。 1.3 焊接数值模拟的内容 焊接数值模拟包括以几个下方面:(1)焊接热过程的数值模拟;(2)焊接熔池液体流动及形状尺 第23卷 第3期2002年6月 焊接学报 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INS TI TUTION Vol.23 No.3 June 2002
数值拟技术的发展现状 随着现代科学技术在计算机领域的的不断发展，数学模型和数值模拟技术的地位越来越重要，尤其在工程学领域，是必不可少的。当然,近20年来，随着计算机技术的飞速发展，国内外研究者开始用计算机对焊接进行数学模拟研究，以此来准确的分析焊接中的一些现象。焊接数值模拟技术的发展使得在焊接技术有了突破性的发展。更为重要的是我们知道焊接是一个牵涉到电弧物理、传质传热、冶金和力学的复杂过程，焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等，要得到一个高质量的焊接结构必须要控制这些因素。因此通过对设计和制造工艺参数的正确选择来控制这些冶金变化以及焊接应力和变形，才能设计出合适的焊接接头形式，选择合理的焊接规范和预热温度等，而自动化焊接的范围在很大程度上将决定于焊接模拟技术。此外，数值模拟技术也广泛的应用于分析焊接结构和接头的强度和性能等问题。 焊接工艺过去一般总是凭经验的，通常是通过一系列实验或根据经验来获得可靠而经济的焊接结构。例如，利用实验方法确定电弧焊连接普通钢板的最佳焊接条件是简便的。然而从发展来看，数值模拟的方法越来越起重要作用。例如用新的高强钢或其它材料造新的工程结构，特别如潜艇、反应堆元件等重要结构，没有多少经验可以凭借，如果只依靠实验方法积累数据需要化很长时间和经费，而且任何尝试和失败，都将造成重大经济损失。此时数值方法将发挥其独特的作用和优点，只要通过少量验证实验证明数值方法在处理某一问题上的适用性，那么大量的筛选工作便可有计算机进行，而不必在车间或者实验室进行大量的试验工作。这就大大的节约了人力、物力和时间，具有很大的经济效益。因此，计算计数值模拟方法为焊接科学技术大发展创造了有利的条件。 一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料时的最佳设计，最佳工艺方法和焊接参数。在计算机技术日益发展的今天，采用数值方法来模拟复杂的焊接现象已经取得了很大的进展，数值模拟技术已经渗入到焊接的各个领域，并取得了突出的成绩，然而我偶们看到这些研究只是初步的，还有许多深入的研究工作需要去做。关键是要进一步认识数值模拟技术的意义和作用，同时必须正确和真实的掌握和阐明焊接现象的本质，才能建立起准确的数学模型。而真确的数值模拟也有助于对焊接过程规律的进一步理解。焊接模拟技术更重要的作用是优化结构设计和工艺设计，提高焊接接头的质量。因此焊接数值模拟技术具有重要的理论意义和实际应用价值，而计算机模拟式包括焊接在内的热加工工艺研究从“定性”走向“定量”、从“经验”走向“科学”的重要标志！ 焊接数值模拟技术，是一种以试验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程的某一个方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识，如焊接温度场、焊接热循环、焊接热影响区的硬度，焊接区的强度、断裂韧性等。焊接数值模拟的关键是确定被研究对象的物理模型及其控制方程（本构关系）。而焊接物理模拟是采用缩小比例或简化了某些条件的模拟技术来代替原尺寸形状的实物研究，如焊接热或力物理模拟、密栅云纹法分析应力应变、氢的瞬态分布电视录像。物理模拟可以校验、校核数值模拟的结果，作为数值模拟的必要补充。 焊接数值模拟的理论意义在于，通过对复杂或不可观现象进行定量分析和对
焊接过程的计算机模拟 作者：山东大学武传松 摘要：本文介绍了焊接过程计算机模拟的最新进展和发展趋势；GMAW焊接熔池流场与热场的数值模拟；双面双弧焊接过程的计算机模拟；TIG焊接电弧的数值分析；电弧阳极边界层传输机理的数值分析；以及焊接热影响区组织和硬度的预测等。 0. 引言 焊接是一个涉及许多学科的复杂的物理—化学过程。由于焊接过程涉及的变量数目繁多，单凭积累工艺试验数据来深入了解和控制焊接过程，既不切实际又成本昂贵和费时费力。随着计算机技术的发展，通过一组描述焊接基本物理过程的数学方程来模拟焊接过程，采用数值方法求解以获得焊接过程的定量认识，即焊接过程的计算机模拟，成为一种强有力的手段。计算机模拟方法为焊接科学技术的发展创造了有力的条件[1]。 1993年，美国能源部组织美国、加拿大、日本、瑞典、英国的25位著名专家对21世纪焊接科学技术的发展动向做出预测，其中焊接基本现象的模拟与仿真被列为最重要的研究方向之一[2]。我国国家自然科学基金委员会制定的学科发展战略也将计算机模拟确定为机械热加工领域的发展方向之一[3]。计算机模拟是使包括焊接在内的热加工工艺研究从“定性”走向“定量”、从“经验”走向“科学”的重要标志。采用科学的模拟技术和少量的实验验证，以代替过去一切都要通过大量重复实验的方法，不仅可以节省大量的人力和物力，而且还可以通过数值模拟解决一些目前无法在实验室里进行直接研究的复杂问题。在制造业，计算机模拟与仿真可以增加材料利用率25％，节约生产成本30％，产品设计至实际投产的时间缩短40％[4]。 近年来，国内外在焊接过程计算机模拟方面开展了许多研究工作，取得不少成果。本文简要介绍该领域的发展动向和最新进展。 1. 焊接过程计算机模拟领域的国际动向 国际上有关焊接过程数值模拟的学术交流活动十分活跃，除了在各种综合性大型国际学术会议上交流许多论文之外，有关国际专题会议“Modelling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes”,“Numerical Analysis of Weldability”都已举办了多届。1996年11
哈尔滨工业大学 《材料加工过程数值模拟基础》实验课程 25号钢平板对接焊温度场数值模拟 实验报告 姓名：王保全 学号：14SD09004 班级：焊接一班 材料科学与工程学院
ANSYS及其应用 ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，能够进行包括结构、热、声、流体、电磁热场等科学的研究。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。 ANSYS的功能 ANSYS的功能如下： ①建立计算模型或者输入结构、产品、组件或系统的CAD模型。 ②应用施加载荷或者其他设计条件。 ③研究模型的物理相应，如应力水平、温度分布或者电磁场等。 ④对产品进行优化设计，以降低产品的费用。 ⑤做数值模拟实验。 ANSYS包括100多个单元，提供了对各种物理场的分析功能，可以将其应用于如下学科：结构分析、热分析、高度非线性瞬态动力分析（ANSYS/LS-DYNA）、流体静力学和动力学分析（FLOTRAN）、电磁场分析、声学分析、压电分析、多长耦合分析、设计灵敏度及优化分析。 ANSYS的设计优化功能允许优化任何方面的设计变量和约束变量，如形状、应力、自然频率、质量、费用、温度、次势、压力、速度或离散量等，可进行参数、形状、拓扑优化。 ANSYS的特点 ANSYS作为一个功能强大、应用广泛的有限元分析软件，其技术特点主要表现在以下几个方面： ①能实现多场及多场耦合分析。用户不但可用其进行诸如结构、热、流体 流动、电磁等的单独研究，还可以进行这些问题的相互影响研究。例如：热-结构耦合，磁-结构耦合以及电-磁-流体-热耦合等。 ②实现前后处理、求解和多场分析统一数据库的一体化大型FEA软件。 ③具有多物理场优化功能的FEA软件。 ④强大的并行计算功能支持分布式并行和共享内存式并行。 ⑤多种自动网格划分技术。 ⑥良好的用户开发环境。ANAYS综合应用菜单、对话框、工具条、命令并行 输入、图形化输出等多种方式，从而使应用更加方便。 ⑦方便的二次开发功能。应用宏、参数设计语言、用户可编程特性、用户 自定义界面语言、外部命令等功能，可以开发个性化的应用程序。 ANSYS的结构 ANSYS主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便的构建有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦
万方数据
万方数据
万方数据
研究与设计王中辉等：焊接数值模拟方法第７期 此，在综合考虑卜述各种影响因素的基础上。运用金属凝圊的有关理论，需做一些合理的假设或近似，才可能建立一个准确的预测焊缝凝固组织的元胞自动机模型【ｍ。 ４结论 数值模拟技术在焊接领域已经得到广泛应用，各有特点，应在不同场合发挥其优点。焊接数值模拟技术的发展使焊接技术正在发生着由经验到科学、由定性到定量的飞跃。焊接数值模拟技术及进一步发展的虚拟制造技术必将广泛地应用到焊接技术的研究及生产中，促进了国民经济建设，推动生产制造的科学化、现代化、自动化进程。 参考文献： 【ｌＪ李刚，上官林建．相场模犁原理及其在晶粒长大模拟中的研究进展【Ｊ】．电焊机，２００６，３６（９）：３３－３６． 【２】许丹｝ｊ娇，叶平，叶惺拽淡大型有限元分析软件ＡＮＳＹ呵：ｇ煤矿机械，２００５（４）：１－３． 【３１朱加雷，焦向东，俞建荣．基于ＡＮＳＹＳ的ＴＩＧ焊接电弧数值模拟研究ｆＪ】．电焊机，２００９，３９（６）：２６－２９． ［４］刘兴龙．曲仕尧，邹增大．基于ＡＮＳＹＳ的焊接过程有限元模拟【Ｊ１．电焊机，２００７，３７（７）：４ｌ—４４． 【５】罗金华。梁晓燕，王春明．中厚板多道焊温度场和应力场三维数值模拟『Ｊ１．电焊机，２００６，３６（８）：３２－３５． 【６】陈玉喜，朱锦洪，石红信．基于ＡＮＳＹＳ的铝合金薄板焊接 温度场三维有限元模拟闭．热加工工艺，２００９，３８（９）：８８－９０．【７】冯兆龙，姚润钢，王明林．低相变点焊条焊接接头残余应力场的数值模拟【Ｊ１．电焊机，２００７，３７（９）：５２－５５． ［８】朱援祥。王勤，赵学荣．基于ＡＮＳＹＳ平台的焊接残余应力模拟【Ｊ】．武汉理工大学学报，２００４，２６（２）：６９－７１． 【９】华鹏，孙俊生．有限兀软件ＳＹＳＷＥＬＤ在焊接数值模拟中的作用『Ｊ“【Ｊ东机械，２００５（１）：２－５． 【ＩＯ］杨天冰，郭瑞杰．Ｘ７０管道环焊缝接头残余应力数值模拟【ＪＪ．电焊机，２００８。３８（１１）：９－１４． 【１１】李午申，白世武，严春妍．９Ｎｉ钢焊接温度场的数值模拟明．电焊机，２００９，３９（１）：ｌ－４． 【１２】邓小虎．金属热变形及焊缝凝同过程的元胞自动机模拟『Ｄ１．大连：大连理工大学，２００９． 【１３】ＰＡＶＬＹＫＶ．。ＤＩＩＪＨＥＹＵ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｓｏｌｉｄｉｆｉｅａｔｉｏｍｉｅｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒａｎｄｉｔｓｃｏｕｐｈｎｇｔｏｔｈｅｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃｈｅａｔａｎｄｆｌｕｉｄｏｆｆｌｏｗｍｏｄｅｌｉｎｇｌＪ］．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｍａｔｅｒｉａｌｓｓｃｉｅｎｓｅａｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００４（１２）：３３＿４５． 【１４】ＲＡＰＰＡＺＭ。ＧＡＮＤＩＮＣＡ。ＤＥＳＢＩＯＬＬＥＳＪＬ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｇ幽劬删姐Ⅱ瞄ｉｎｖａｌｉｏｔｌｇｓｄｉｄｉｆｉｃａｆｉｏｎ口０ｃ旺婚ｅｓｒＪｌ．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡ．１９９６，２７Ａ（３）：６９５—７０５．【１５１黄安国，余圣甫，李志远．焊缝金属凝固组织元胞自动机模拟【Ｊ】．焊接学报，２００８，２９（４）：４５－４８． 【１６】肖宏。柳本润．采用Ｃｅｌｌｕｌａｒａｕｔｏｍａｔｏｎ法模拟动态再结晶过程的研究ＵＪ．机械工程学报，２００５，４ｌ（２）：１３－１６． 【１７ｌＫａｓｕｖａＴ，ＹｕｒｉｏｋａＮ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｈｅｒｍａｌｈｉｓｔｏｒｙｂｙａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｓｏｈｔｉｏｎ［Ｊ］．ＷｅｌｄｉｎｇＪｏｕｍａｌ。１９９３，７２（２）：１０７－１１５． ‰鳜Ｚ锄么＊么，?２７－ ＿～。。一，。ｒ…。… 万方数据
焊接过程数值模拟 教学大纲 开课单位：焊接任课教师：柯黎明职称：教授 授课学时数：40 学分数: 2 授课方式: 讲授 一、授课对象： 焊接专业研究生。 二、教学要求和目的：了解数值分析方法的基本原理及在焊接领域的应用 前景，基本掌握差分法及有限元法的原理及在平面问题中的应用，能用数值方法来求解二维热传导问题、热应力及变形问题,能用数值方法模拟焊接工艺过程。 了解数值分析方法的基本原理及在焊接领域的应用前景，基本掌握差分法及有限元法的原理及在平面问题中的应用，能用数值方法来求解二维热传导问题、热应力及变形问题,能用数值方法模拟焊接工艺过程。 三、课程内容： 1、概述 1.1数值分析在焊接中的应用 1、数值分析方法简介 2、基本应用：焊接现象的计算机模拟 焊接结构使用过程中的强度和性能 1.2焊接过程数值模拟的发展方向 1、焊接热过程的数值模拟：实际焊接接头中的三维温度场分布 2、焊缝金属凝固和焊接接头相变过程的数值模拟 3、焊接应力和应变发展过程的数值模拟 4、非匀质焊接接头的数值模拟 5、焊接熔池形状尺寸的数值模拟 2、数学物理方程简介 2.1 基本概念： 数理方程研究问题的一般程序： 1、对物理问题，根据有关定律，建立相应的数学模型 2、对数学问题，运用数学方法进行求解 2.2 波动方程（双曲线方程）： 1、弦振动方程的导出 2、定解条件：三类边界条件
2.3 热传导方程（抛物线方程）： 1、方程的导出 2、定解问题的提法 2.4 拉普拉斯方程（椭圆方程）： 1、方程的导出 2、定解条件 2.5 定解问题的适定性 存在性、唯一性、稳定性 3、数值分析方法概述 3.1 差分法（求解过程和原理） 1、差分方程：（以一维对流方程为例） 2、截断误差 3、稳定性与收敛性 3.2 有限元法 1、基本步骤 2、特点 4、焊接热传导问题的差分解法 4.1 稳态热传导问题的差分解法 1、偏微分方程替代法 2、能量平衡法 4.2 不稳定热传导的差分解法 1、差分格式 2、差分格式的稳定性及步长的选取 3、边界条件的处理 4.3 温度场的计算实例： 1、一维焊接热传导的差分计算（电弧焊） 2、电阻焊温度场计算 4.4 过渡液相扩散连接过程的数值模拟 5、泛函及变分 5.1 引论 1、泛函的概念