采用SYSWELD对平板堆焊温度场的有限元分析 (1)
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焊接工艺模拟分析软件SYSWELD
变形
© UFC Corp. 2009. All rights reserved.
温度场及金相
温度场
马氏体的转换
温度梯度
贝氏体的转换
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应力场
热应变
塑性应变
屈服应力
应力
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应力结果
σz
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适当修改焊接参数可以减少应力热裂纹 的产生
σz
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2. 列车转向架电弧焊变形控制
•采用手工电弧焊 •焊接速度5mm/s，电 压26V，电流280A，热 输入效率80% •4道焊缝 •焊缝总长达到近8m •采用混合网格 •焊接时两端装卡 •焊接完后释放装卡
焊接工艺模拟分析软件SYSWELD
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主要内容
SYSWELD介绍 软件特色 软件功能及应用实例
热处理 焊接 焊接装配
总结
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应用领域
3D
5.焊后热处理
回火前
回火后
500℃回火 一段时间 拉应力减少
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焊接装配高级模块 PAM-ASSEMBLY
独特的“local-global”方法，用局部模型进行完整的焊接 模拟，结果映射到整体模型上，节省大量计算时间
平板对接焊的温度场和应力场有限元分析
场对 应 力 场 的影 响 ，而 忽 略 应 力 场 对 温 度 场 的 作 用 。 焊 接
过程中金属一般 要经历 两个 阶段 ，即加热 和冷却 。某一 时 刻构件上会 同时存在 固相 区 、液 相 区和固 、液共 存 区 ，影 响计算所采 用的方程 。固液 共存 区存在 时间短 ，可 以忽 略
服 强度 ，离开焊缝 区后焊接残余应力迅速 衰减 为压应力。
１ 焊接 温度场 控制 方程
在区域 Ｑ 中热过程控制方程 为 ：
关键词 ：中厚板 ；对接焊 ；温度场 ； 应 力场；有限元
中 图分 类号 ：Ｔ Ｇ ４ ０ ２ 文 献 标 志 码 ：Ａ
文章编 号 ： １ ６ ７ ２— ４ ０ １ １ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ — ０ ｏ ７ ４— ０ ３
Ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ａ ｎｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｔ ｏ ｂ ｕｔ ｔ ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎｇ
ｃ ＿ ｆ ， ｄ Ｔ＝Ｖ［ Ａ ］十
ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｒ ａ ｔ ｅ ｌ ｙ ｔ ｈ ｉ ｃ ｋ ｐ ｌ ａ ｔ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｏ ｆ ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ，ｔ ｈ ｅ
式 中， Ｏ ／ 为对 流换热系数 ， 为零对流时 的参考 温度 。 （ ２ ）辐射换热导致 的边界热流 ：
ｑ ，＝ Ｏ ＂ ０ ８ ０ （ 一 ）
式 中， ｓ 。 和Ｇ ｒ ０ 分别为黑 度（ 发 射率 ）和 黑体 辐射 常数 ，
，
ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ —ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｌｙ ａ ｓ ｉ ｓ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ ｉ ｓ ａ ｐ —
过程中金属一般 要经历 两个 阶段 ，即加热 和冷却 。某一 时 刻构件上会 同时存在 固相 区 、液 相 区和固 、液共 存 区 ，影 响计算所采 用的方程 。固液 共存 区存在 时间短 ，可 以忽 略
服 强度 ，离开焊缝 区后焊接残余应力迅速 衰减 为压应力。
１ 焊接 温度场 控制 方程
在区域 Ｑ 中热过程控制方程 为 ：
关键词 ：中厚板 ；对接焊 ；温度场 ； 应 力场；有限元
中 图分 类号 ：Ｔ Ｇ ４ ０ ２ 文 献 标 志 码 ：Ａ
文章编 号 ： １ ６ ７ ２— ４ ０ １ １ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ — ０ ｏ ７ ４— ０ ３
Ｆｉ ｎｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎｔ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ａ ｎｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｔ ｏ ｂ ｕｔ ｔ ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎｇ
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式 中， Ｏ ／ 为对 流换热系数 ， 为零对流时 的参考 温度 。 （ ２ ）辐射换热导致 的边界热流 ：
ｑ ，＝ Ｏ ＂ ０ ８ ０ （ 一 ）
式 中， ｓ 。 和Ｇ ｒ ０ 分别为黑 度（ 发 射率 ）和 黑体 辐射 常数 ，
，
ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ —ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｉ ｎ ｇ ａ ｎ ｌｙ ａ ｓ ｉ ｓ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ ｉ ｓ ａ ｐ —
基于Sysweld的T形管焊接件温度及应力应变场数值模拟分析
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９４
焊 接 学 报
第 ３７卷
z z z PsgiolePfrp
［上接 第 ８Ｏ页 ］
［６］ 黎超文 ，王 勇 ，李立英 ，等．Ｔ形接头 的焊接温 度场 三维 动态有限元模拟［Ｊ］．焊接学报 ，２０１１，３２（８）：３３—３６．
一 ． 生 产加工 中大多 由焊工 熟 练 的焊 接技 能 来 保证 仿 真 ，模 拟仿 真流程 如 图 １所 示 ．
焊 接质量 ，而焊 接 时的应力 影 响难 以掌 控 ，需 要 大量
离空 要卜 矗驽 的试验¨Ｊ．当前试验测量应力的方法主要有盲孔法
和 ｘ射线衍 射法 ，这 些方 法 需 要 专 门配 套 的 试验 设 备 ，试验周 期 长 ，并 且 很 难 得 到 分 布 复 杂 多 样 的应
图 １ 基 于 Ｓｙｓｗｅｌｄ数 值 仿 真 分 析 流 程
Ｆｉｇ．１ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｌｏｗ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｙｓｗｅｌｄ
成本 ．因此采 用计算 机模 拟 方法 模 拟 焊接 应 力具 有
较大 的经济 效益 ． 基于 Ｓｙｓｗｅｌｄ有 限元 分 析 软 件对 焊 接 过 程 中温
z z z PsgiolePfrp
第３ ７卷 第４期
焊 接 学 报
Ｖｏ１．３７ Ｎ。．４
２ ０ １ ６ 年 ４ 月 ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＷＥＬＤＩＮＧ ＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮ Ａｐｒｉｌ ２ ０ １ ６
基 于 Ｓｙｓｗｅｌｄ的 Ｔ形 管焊 接 件 温 度 及 应 力 应 变 场 数 值 模 拟 分 析
基于ansys的冻结过程中温度场的有限元分析
基于ansys的冻结过程中温度场的有限元分析冻结过程中温度场的有限元分析是现代冰川物理和热输运理论研究的重要部分。
冻结过程是冰川系统中最重要的物理过程，冰川及其周围的温度场的变化，将直接影响冰川的运动、凝固和融解。
温度场的有限元分析是使用计算机对冰川系统进行精确模拟的有效方法。
有限元分析基于定义在节点（域上）的有限个单元函数，利用这些函数将域区域分割成若干有限个单元，进而根据物理原理建立有限元方程组，最后利用某种数值方法求解该方程组，从而确定域上的物理量。
冻结过程中温度场的有限元分析，主要是基于非稳态的热输运方程进行分析。
实际上，基于有限元的冻结过程的模拟与实验室或室内试验更相似，可以使用有限元分析来生成不同时间步长的温度场，以此为基础进一步研究冰川及其附近环境的变化。
有限元分析是将计算机分析视为一种实验过程。
在实验室中，冰川及其周围的温度场的变化受到测量错误的影响，而在计算机分析中，模拟误差也很难避免。
因此，实验和分析之间的差异应尽量减少，以保证在有限元分析中获得可靠的结果。
首先，在使用有限元分析进行冻结过程模拟之前，需要对几何模型进行预处理。
通常，在分析中使用的几何模型是三维的，可以使用ANSYS软件来完成。
ANSYS软件可以根据分析的要求进行网格划分，网格划分准确性，直接影响分析结果的准确性，以及计算的时间和计算资源的占用等。
其次，在使用有限元分析对模型进行分析之前，需要对域上的初始条件和边界条件进行设置。
初始条件是指冰川系统的初始状态，包括温度、密度和流速等；边界条件是指冰川系统周围的条件，包括温度、压力和流速等。
此外，还需要设置材料参数（热导率、密度等）。
最后，在设置完边界条件和材料参数之后，可以使用ANSYS软件进行模拟。
ANSYS软件可用于求解热输运方程，使用多孔介质模型，根据不同的时间步长，以及由此产生的温度场，来模拟冻结过程中温度场的变化。
以上就是有限元分析模拟冻结过程中温度场的大致步骤。
焊接温度场和应力场的有限元分析
焊接温度场和应力场的有限元分析张华波;刘志义【摘要】本文通过ANSYS有限元分析软件平台,实现了高斯移动热源载荷下平板堆焊的焊接温度场和应力场的数值模拟分析,得到了焊接温度场和应力场的分布情况和变化规律.【期刊名称】《石油和化工设备》【年(卷),期】2016(019)009【总页数】4页(P27-30)【关键词】温度场;应力场;ANSYS;有限元模拟【作者】张华波;刘志义【作者单位】中南大学材料科学与工程学院, 湖南长沙 410083;中南大学材料科学与工程学院, 湖南长沙 410083【正文语种】中文焊接是一个快速升温并随后快速冷却的过程，焊接物理现象包括焊接时的传热过程、金属的熔化和凝固、电磁、冷却时的相变、变形、焊接应力等。
焊接时，在焊件上将产生局部高温的不均匀温度场，焊缝中心处的温度可达1500℃以上，焊缝填料受热向外膨胀但受到周围母材的约束，从而在焊件内产生较大的温度应力，此应力会随着温度和时间发生不断的变化，某些部位的焊接应力甚至达到材料的屈服强度而发生塑性变形，在焊件冷却后残存于内部成为残余应力。
焊接所产生的残余应力和变形，可对焊接结构质量产生重大影响。
在实际结构中，多数开裂都是从焊缝处发起的［1］，因此对焊接温度场和应力场进行分析是十分必要的。
焊件尺寸及相关参数如下：焊件材质为低碳钢25#，焊丝为H08Mn2SiA，焊件几何尺寸为120 mm×120 mm×6mm，焊缝位于焊件的Y-Z平面中心线。
焊接电压25V，电流180 A，焊接速度10 mm/s，电弧有效半径r=6mm，焊接热效率η=0.75。
在ANSYS有限元分析中，经常会涉及到对称性的构件。
ANSYS给我们提供了对称和反对称两种对称分析类型。
如果分析对象呈对称的几何形状，且所受载荷也对称的话，根据其对称性，可以只考虑采用计算模型的一半进行分析，采用对称分析可以节省计算时间，提高工作效率。
对称面每增加一个，有限元模型就相应地减少近一半［2］。
sysweld教程求解及后处理
3. 在Welding Operation Description中分别对每一层进行定义， 特别要注意 每一层的Welding starting time.
4. Save .在生成的MECH_C.DAT文件中，在每一层的 INITIAL CONDITIONS后加上 ELEMEN GROUP $ADDn+1$ $ADDn+2$ $ADDn+3$ / IS -1 表示组ADDn+1 ADDn+2 ADDn+3不激活，如有更多的层，同理。
•The results stored in these two files are converted into post-processing format and then stored in the files : •TEST06_POST1000.FDB for the thermo metallurgical results •TEST06_POST2000.FDB for the mechanical results
19
Multi Layers-2 method
1. 建立模型，定义组
2. 对第一层进行welding advisor定义
a. 在定义Material Properties时，所有体
组都要定义，包括其它层的组。
b. 在定义Phase proportions时，所有体组
都要定义，包括其它层的组。 3. Save .在生成的MECH_C.DAT文件中，在INITIAL
4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
导入后处理文件
5
选择时间步和结果类型
6
显示温度场结果
1.选择Group Name “ALL”
2.单击,以云纹 图形式显示
4. Save .在生成的MECH_C.DAT文件中，在每一层的 INITIAL CONDITIONS后加上 ELEMEN GROUP $ADDn+1$ $ADDn+2$ $ADDn+3$ / IS -1 表示组ADDn+1 ADDn+2 ADDn+3不激活，如有更多的层，同理。
•The results stored in these two files are converted into post-processing format and then stored in the files : •TEST06_POST1000.FDB for the thermo metallurgical results •TEST06_POST2000.FDB for the mechanical results
19
Multi Layers-2 method
1. 建立模型，定义组
2. 对第一层进行welding advisor定义
a. 在定义Material Properties时，所有体
组都要定义，包括其它层的组。
b. 在定义Phase proportions时，所有体组
都要定义，包括其它层的组。 3. Save .在生成的MECH_C.DAT文件中，在INITIAL
4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
导入后处理文件
5
选择时间步和结果类型
6
显示温度场结果
1.选择Group Name “ALL”
2.单击,以云纹 图形式显示
基于SYSWELD软件的多束流电子束焊接过程的数值模拟
第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
基于SYSWELD软件的多束流电子束焊接过程 * 的数值模拟
王西昌1，左从进1，崔启玉2，刘寒龙2，赵海燕3
（1.北京航空制造工程研究所 高能束流加工技术重点实验室, 北京, 100024） （2.法国ESI公司北京办事处，北京，100012 3.清华大学机械工程系，北京，100084）
55
第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
r0 z re
图2
r i re z ze z i ze
热源模型
锥形热源模型不仅体现了能量在厚度方向上的衰减规律，也更好地体现了能量在电子作 用层及束流匙孔中的分配。实际焊接时能量先在工件表面电子作用层上聚集熔化金属，从而 形成较大的熔池，凝固后形成“钉子”头部；而后能量在束流匙孔中逐渐衰减形成较大的熔 深，凝固后形成“钉子”底部，见图 3a。图 3b 为采用 SYSWELD 软件进行热源校核之后，模拟 得到的电子束焊接的焊缝截面图。
3.1 温度场结果
整个求解计算过程共分为焊接和冷却两个阶段。 焊接过程共用 40s 完成， 然后冷却至 700s。 计算过程中载荷步的选择由程序进行自适应控制，即焊接过程非线性较强，适当减小步长， 而冷却过程在保证计算精度的同时，适当增大步长。图 6 为多束流电子束焊接过程中的温度 场分布。
图 6 焊接过程中的温度场分布
58
第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
单束流 纵向距离dx
350mm 280mm 230mm 180mm
纵向残余应力 /MPa
距焊缝中心距离 /mm
图 9 纵向距离对纵向残余应力的影响
辅助加热区产生一个拉应力峰，整体上残余应力形成一个较低拉应力状态下的分布。随着纵 向距离dx从180mm增大到280mm时，焊缝及近缝区残余应力相比较于单束焊逐渐减小，但从 280mm增大到350mm时，多束焊接相比较于单束焊接残余应力减小量逐渐减小。 3.2.2.3 辅助热输入的影响 如图 10 所示，取纵向距离 dx 取为 350mm，横向距离 dy 为 25mm，辅助热源能量分配从 38％增大到 47％，焊缝及其临近区的残余拉应力的降低效果。
基于SYSWELD软件的多束流电子束焊接过程 * 的数值模拟
王西昌1，左从进1，崔启玉2，刘寒龙2，赵海燕3
（1.北京航空制造工程研究所 高能束流加工技术重点实验室, 北京, 100024） （2.法国ESI公司北京办事处，北京，100012 3.清华大学机械工程系，北京，100084）
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第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
r0 z re
图2
r i re z ze z i ze
热源模型
锥形热源模型不仅体现了能量在厚度方向上的衰减规律，也更好地体现了能量在电子作 用层及束流匙孔中的分配。实际焊接时能量先在工件表面电子作用层上聚集熔化金属，从而 形成较大的熔池，凝固后形成“钉子”头部；而后能量在束流匙孔中逐渐衰减形成较大的熔 深，凝固后形成“钉子”底部，见图 3a。图 3b 为采用 SYSWELD 软件进行热源校核之后，模拟 得到的电子束焊接的焊缝截面图。
3.1 温度场结果
整个求解计算过程共分为焊接和冷却两个阶段。 焊接过程共用 40s 完成， 然后冷却至 700s。 计算过程中载荷步的选择由程序进行自适应控制，即焊接过程非线性较强，适当减小步长， 而冷却过程在保证计算精度的同时，适当增大步长。图 6 为多束流电子束焊接过程中的温度 场分布。
图 6 焊接过程中的温度场分布
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第五届中国 CAE 工程分析技术年会论文集
单束流 纵向距离dx
350mm 280mm 230mm 180mm
纵向残余应力 /MPa
距焊缝中心距离 /mm
图 9 纵向距离对纵向残余应力的影响
辅助加热区产生一个拉应力峰，整体上残余应力形成一个较低拉应力状态下的分布。随着纵 向距离dx从180mm增大到280mm时，焊缝及近缝区残余应力相比较于单束焊逐渐减小，但从 280mm增大到350mm时，多束焊接相比较于单束焊接残余应力减小量逐渐减小。 3.2.2.3 辅助热输入的影响 如图 10 所示，取纵向距离 dx 取为 350mm，横向距离 dy 为 25mm，辅助热源能量分配从 38％增大到 47％，焊缝及其临近区的残余拉应力的降低效果。
基于SYSWELD对低合金钢焊接接头的数值模拟及实验分析
金属铸锻焊技术Ｉｃ妯ｇ·Ｆｏｒｇｉｎｇ·Ｗｅｌｄｉｎｇ
２０１０年１２月
基于ＳＹＳＷＥＬＤ对低合金钢焊接接头的
数值模拟及实验分析
康惠。凌泽民，齐喜岑 （重庆大学材料科学与工程学院。重庆４０００４４）
摘 要：基于焊接专用有限元模拟软件ＳＹＳＷＥＬＤ对Ｑ３４５Ｄ低合金钢Ｃ０２焊焊缝组织成分进行了数值模拟研 究。并对焊接接头进行了金相分析。结果表明：模拟结果与实验结果基本吻合，Ｑ３４５Ｄ低合金钢焊后冷却至大约３００℃
目前焊接领域大量采用数值模拟的方法研究焊 接温度场、应力应变场等，对于焊接过程中熔池的相 变和组织成分的模拟研究还处于探索阶段。法国 ＥＳＩ公司开发的焊接专用数值模拟软件ＳＹＳＷＥＬＤ 拥有自身强大的数据库，将材料的ＣＣＴ曲线融合进 去。使得该软件对材料焊接过程中接头组织的分析 成为可能。进而为预测材料的各种物理性能奠定了 基础。本文采用该软件，考虑到材料热物理性能的
ｗｅｌｄｉｎｇ Ｗａｓ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｗｈｅｎ ｌｏｗ－ａｌｌｏｙ ｓｔｅｅｌ Ｑ３４５Ｄ ｃｏｏｌｓ ｔｏ ａｂｏｕｔ ３００℃ａｆｔｅｒ
Ｋ ＡＮＧ Ｈｕｉ．ＬＤＪＧ Ｚｅｍｉｎ，ＱＩ Ｘｉｃｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＳＹＳＷＥＬＤ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｓｅａｍ ｏｆ ｌｏｗ－ａｈｏｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｙ Ｃ０２ ａｒｃ
２０１０年１２月
基于ＳＹＳＷＥＬＤ对低合金钢焊接接头的
数值模拟及实验分析
康惠。凌泽民，齐喜岑 （重庆大学材料科学与工程学院。重庆４０００４４）
摘 要：基于焊接专用有限元模拟软件ＳＹＳＷＥＬＤ对Ｑ３４５Ｄ低合金钢Ｃ０２焊焊缝组织成分进行了数值模拟研 究。并对焊接接头进行了金相分析。结果表明：模拟结果与实验结果基本吻合，Ｑ３４５Ｄ低合金钢焊后冷却至大约３００℃
目前焊接领域大量采用数值模拟的方法研究焊 接温度场、应力应变场等，对于焊接过程中熔池的相 变和组织成分的模拟研究还处于探索阶段。法国 ＥＳＩ公司开发的焊接专用数值模拟软件ＳＹＳＷＥＬＤ 拥有自身强大的数据库，将材料的ＣＣＴ曲线融合进 去。使得该软件对材料焊接过程中接头组织的分析 成为可能。进而为预测材料的各种物理性能奠定了 基础。本文采用该软件，考虑到材料热物理性能的
ｗｅｌｄｉｎｇ Ｗａｓ ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｗｈｅｎ ｌｏｗ－ａｌｌｏｙ ｓｔｅｅｌ Ｑ３４５Ｄ ｃｏｏｌｓ ｔｏ ａｂｏｕｔ ３００℃ａｆｔｅｒ
Ｋ ＡＮＧ Ｈｕｉ．ＬＤＪＧ Ｚｅｍｉｎ，ＱＩ Ｘｉｃｅｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＳＹＳＷＥＬＤ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｓｅａｍ ｏｆ ｌｏｗ－ａｈｏｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｓｔｅｅｌ ｂｙ Ｃ０２ ａｒｃ
运用ANSYS对焊缝残余应力及温度场分析
（ 3） 异种材料钢铜采用材料铝焊接时，最大残 余应力发生在钢与焊料连接处。
（ 4） 通过对异种材料钢铜连接处的铝焊缝的数 值模拟，能 够 比 较 直 观 地 显 示 残 余 应 力 分 布，为 焊 后热处理工艺提供指导。
参考文献
3 结论
通过 有 限 元 软 件 ANSYS 中 生 死 单 元 技 术 和 热 － 结构耦合技术［4］，对异种材料钢铜连接处的铝 焊缝进行了焊接过程中的温度场模拟，并得出过程 中温度场的分布情况，同时将温度场作为载荷施加 在结构中，进 而 得 出 过 程 中 的 应 力 分 布 情 况，由 以 上计算结果及后处理得出以下结论：
同时对于 钢、铜、铝 材 料 各 个 温 度 下 的 材 料 密 度、泊松比、传热系数、线膨胀系数、比热容，设定为 常数，如表 2 所示。
160
科学技术与工程
11 卷
表 2 钢、铜、铝的物理常数
材料密度 材料
/ （ kg·m － 3 ）
传热系数 / 线膨胀系数 比热容 /
泊松比 ［w·（ m － 1 · / （ 1·℃ － 1 ） （ kg·℃ ）
图 4 焊接过程中内部应力的分布情况
（ 3） 图 5 为选取的节点 1、节点 2、节点 16、节点 23、节点 36 的温度随时间变化历程图，节点 1 是钢板 与焊料铝交界边界线的上端，节点 16 位于焊缝低端，
图 5 温度随时间变化曲线
图 6 残余应力随时间变化曲线
2． 2 焊接残余应力分析 焊接后，焊缝处的残余应力是引起开裂故障的
GAO Ming-bao，LI Shi-yun，ZOU Yun-he
（ Department of Mechanical and Electronic Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，P． R． China）
（ 4） 通过对异种材料钢铜连接处的铝焊缝的数 值模拟，能 够 比 较 直 观 地 显 示 残 余 应 力 分 布，为 焊 后热处理工艺提供指导。
参考文献
3 结论
通过 有 限 元 软 件 ANSYS 中 生 死 单 元 技 术 和 热 － 结构耦合技术［4］，对异种材料钢铜连接处的铝 焊缝进行了焊接过程中的温度场模拟，并得出过程 中温度场的分布情况，同时将温度场作为载荷施加 在结构中，进 而 得 出 过 程 中 的 应 力 分 布 情 况，由 以 上计算结果及后处理得出以下结论：
同时对于 钢、铜、铝 材 料 各 个 温 度 下 的 材 料 密 度、泊松比、传热系数、线膨胀系数、比热容，设定为 常数，如表 2 所示。
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科学技术与工程
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表 2 钢、铜、铝的物理常数
材料密度 材料
/ （ kg·m － 3 ）
传热系数 / 线膨胀系数 比热容 /
泊松比 ［w·（ m － 1 · / （ 1·℃ － 1 ） （ kg·℃ ）
图 4 焊接过程中内部应力的分布情况
（ 3） 图 5 为选取的节点 1、节点 2、节点 16、节点 23、节点 36 的温度随时间变化历程图，节点 1 是钢板 与焊料铝交界边界线的上端，节点 16 位于焊缝低端，
图 5 温度随时间变化曲线
图 6 残余应力随时间变化曲线
2． 2 焊接残余应力分析 焊接后，焊缝处的残余应力是引起开裂故障的
GAO Ming-bao，LI Shi-yun，ZOU Yun-he
（ Department of Mechanical and Electronic Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，P． R． China）
SYSWELD焊接热源校核部分教材
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Ｊ－２００８年第１期总第６１期
２８现代焊接合肥工业大学材料学院
华
鹏
胡小建
作者简介：华鹏（１９７８－），男，硕士研究生，２００５年毕业于山东大学，现为合肥工业大学材料学院助教，主要研究方向为焊接过程中数字模拟。
［摘要］［关键词］本文基于大型有限元分析软件ＳＹＳＷＥＬＤ，采用双椭球三维热源对ＪＢ８００钢平板堆焊的温度场进行了数值模拟。
结果表明，冷却时间ｔ的计算结果与实测结果基本吻合，验证了本文所建模型的可靠性。
双椭球热源；有限元；焊接；ＳＹＳＷＥＬＤ
８／５序言
１焊接温度场的数值计算模型
焊接温度场是影响焊接质量和生
产效率的重要因素。
因此焊接温度场的测试与计算一直是焊接领域的重要研究内容。
以前大都采用解析法计算这种方法都是以集中热源为基础的计算方法，假定热物性参数不变，不考虑相变和结晶潜热，对焊件几何形状简单归为无限的，计算的结果对远离熔合线的较低温度区较准确，但对于熔合区和ＨＡＺ误差很大，而这部分正是和焊缝性能相关的关键部位。
ＳＹＳ－ＷＥＬＤ是基于有限元方法的大型数值模拟软件。
ＳＹＳＷＥＬＤ完全实现了机械、热传导和金属冶金的耦合计算，允许考虑晶相转变及同一时间晶相转变潜热和晶相组织对温度的影响。
焊接热过程控制方程可以建立在随热源中心移动的三维直角坐标系中。
１．１
控制方程及边界条件［２］
［１］，对于每一瞬时，按照固定坐标系进行计算，其方程为：
式中，ρ为金属的密度，Ｃ为定压比热容，Ｔ是温度，ｔ是时间，Ｋ为导热系数，ｘ、ｙ、ｚ是三维直角坐标系的三个方向。
方程（１）的定解条件如下工件上表面：
式中，为上表面的法向单位矢量，是焊接电弧传递给工件的热流密度，是因对流和辐射而散失的热流密度，η为电弧热效率，是焊接电流，是焊接电弧电压，为高斯参数是工件上某点与焊接热源中心的距离为对流和辐射边界的综合热传导系数，是环境温度。
工件下表面：
Ｐ∞ｎｑ（ｒ）ｑＩＵｒ，ｒ，ｈＴｔａａ０ｃｒ式中，ｎ－下表面的法向单位矢量。
对于对称面（ｘ＝０）：
初始条件：本文采用双椭球热源模型进行焊接数值模拟。
该热源所描述的热流密度分布在椭球体积内，能够反映出焊接束流沿深度方向对焊件加热的特点，因此可以对焊接温度场进行更为准确的模拟。
双椭球热源模型考虑了焊接束流的“挖掘”、“搅拌”作用，适用于描述ＭＩＧ、ＴＩＧ、电子束焊、激光焊等熔深较深的焊接过程。
如图１所示。
ｂ１．２
双椭球热源模型
［３］
［４］
［５］
采用对平板堆焊温度场的有限元分析
SYSWELD
（１）
（２）（３）（４）
（５）（６）
（７）（８）
Analysis of infinite element about the temperature
field during bead-on-plate welding using SYSWELD
现代焊接２００８年第１期总第６１期Ｊ－２９
模型沿ｙ轴前半部分的椭球内部热
流密度分布为
沿ｙ轴后半部分的椭球内部热流密度分布为
式中：ａ、ｂ、ｃ、ｃ为热源形状参数；Ｑ为热输入功率；ｖ为焊接速度；ｔ为焊接时间；τ是热源滞后时间因子；ｆ、ｆ为模型前后部分的能量分布系数。
１２ｆｒ
２
焊接温度场的分析
ｑ＝
・ｅ
・ｅ・ｅ
（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）－３・ｘ
ａ
２
２－３・ｙ
ｂ
２
２－３（ｚ－ｖ・（τ－ｔ））
ｃ２
２１
ｑ＝
・ｅ
・ｅ
・ｅ
（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）－３・ｘａ２
２
－３・ｙｂ２
２
－３（ｚ－ｖ・（τ－ｔ））
ｃ２
２２
２．１
实验材料２．２
有限元模型
表１所列为本文所
用的试验材料、试件尺寸、焊接方法、焊丝、保护气体及气体流量。
气体流量（ｌ／ｍｉｎ）
１５母材Ｊｂ８００
试件尺寸（ｍｍ）２００×１５０×２０
焊接方法ＧＭＡＷ
焊丝
ＧＦＭ－６０
焊丝直径（ｍｍ）１．２保护气体１００％ＣＯ２表１
试验材料
本文计算模型的有限元网格划分和计算所用材料的尺寸和研究所用的坐标系如图２所示，平板堆焊采用了对称性简化模型。
图３（ａ）为线能量１４．０６ｋＪ／ｃｍ下，
２．３
焊接温度场的计算结果平板堆焊试件上熔合区附近点焊接热循环的计算结果，其峰值温度Ｔ＝１３４９℃；（ｂ）为其冷却曲线的计算结果与实测结果比较；其冷却时间ｔ的计算值分别为１０．７ｓ；实测值分别为１０．１ｓ。
由图可见，冷却时间ｔ的计算结果与实测结果基本吻合。
平板堆焊接头ｔ的计算结果和实测结果比较见表２，可见，冷却时间ｔ的计算结果和实测结果基本吻合，最大误差达到了１０．０７％。
分析认为，这是由于在数值模拟时，平板堆焊没有考虑熔敷金属对热循环的影响，必然造成一定的误差。
但是考虑到试验本身的误差，本文模拟计算的热循环已经达到了理想的结果。
３．１本文采用有限元软件ＳＹＳＷＥＬＤ建立了ＪＢ８００钢的焊接传热数学模型，确定了表面堆焊情况下热源模型及边界条件。
３．２采用双椭球热源计算出了ＪＢ８００钢ＭＡＧ焊接的温度场，避免了解析法的缺陷，大大提高了数值模拟的计算精度。
结果表明，冷却时间ｔ的计算结果与实测结果基本吻合，验证了本文所建模型的可靠性。
Ｐ８／５８／５８／５８／５８／５３结束语
参考文献
［１］武传松编著．焊接热过程数值分析［Ｍ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，１９９０．
［２］张文钺主编．焊接传热学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８９．
［３］Ｊ．Ｇｏｌｄａｋ．Ａｎｅｗｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｆｏｒｗｅｌｄｉｎｇｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｓ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌ．Ｔｒａｎｓ．Ｂ，１９８４，１５Ｂ（６）：２９９－３０５．［４］莫春立，钱百年等．焊接热源计算模式的研究进展［Ｊ］．焊接学报，２００１，６（２２）：９３－９６．
［５］吴甦，赵海燕，王煜，等．高能束焊接数值模拟中的新型热源模型［Ｊ］，焊接学报，２００４，２５（１）：９１￣９４．
表２
平板堆焊接头ｔ的计算结果和实测结果比较
８／５误差（％）７．３５９．１９５．９４１０．０７９．２１
电流Ｉ（Ａ）２３０２３０２７１２５０２６０
电压Ｕ（Ｖ）２８．９２８．７２９．２２７．６３０
焊速ｖ（ｍｍ／ｓ）５．８８４．２２４．５３．０５３．０３
焊接线能量Ｅ（ｋＪ／ｃｍ）
９．５１２．６１４．０６１８．０９２０．５９
实测ｔ（ｓ）６．８８．７１０．１１３．９１５．２
８／５计算ｔ（ｓ）７．３９．５１０．７１５．３１６．６
８／５编号１
２３４５。