焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程

《基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》篇一一、引言焊接作为一种重要的工艺方法，广泛应用于各种工程结构中。

然而，焊接过程中产生的温度场和应力分布对焊接结构的质量、性能和使用寿命有着重要的影响。

因此，对焊接温度场和应力的研究具有非常重要的意义。

本文将通过ANSYS软件进行焊接温度场和应力的数值模拟研究，以期为焊接工艺的优化提供理论依据。

二、焊接温度场的数值模拟1. 建模与材料属性设定在ANSYS中建立焊接结构的几何模型，设定材料的热学性能参数，如热导率、比热容等。

同时，设定焊接过程中的热源模型，如高斯热源模型等。

2. 网格划分与边界条件设定对模型进行合理的网格划分，以便更好地捕捉温度场的分布情况。

设定边界条件，包括环境温度、对流换热系数等。

3. 求解与结果分析通过ANSYS的瞬态热分析模块进行求解，得到焊接过程中的温度场分布情况。

分析温度场的变化规律，研究焊接过程中的热循环行为。

三、焊接应力的数值模拟1. 建模与材料属性设定在ANSYS中建立与温度场分析相同的几何模型，设定材料的力学性能参数，如弹性模量、泊松比等。

同时，导入温度场分析的结果作为应力分析的初始条件。

2. 网格划分与约束条件设定对应力分析模型进行网格划分，并设定约束条件，如固定支座等。

这些约束条件将影响应力的分布情况。

3. 求解与结果分析通过ANSYS的结构分析模块进行求解，得到焊接过程中的应力分布情况。

分析应力的变化规律，研究焊接过程中的残余应力分布情况。

同时，结合温度场分析结果，研究温度与应力之间的关系。

四、结果与讨论1. 温度场分析结果通过ANSYS的数值模拟，得到了焊接过程中的温度场分布情况。

结果表明，在焊接过程中，焊缝处的温度较高，随着距离焊缝的增大，温度逐渐降低。

同时，随着时间的变化，温度场呈现出明显的热循环行为。

2. 应力分析结果在应力分析中，我们发现焊接过程中会产生较大的残余应力。

这些残余应力主要分布在焊缝及其附近区域，并呈现出一定的规律性。

激光焊接中的温度场与应力分析激光焊接是当前一种应用广泛的金属焊接技术，它具有结构紧凑、能耗低、工作稳定等优点。

而激光焊接中的温度场分析和应力分析则是保证激光焊接连接强度和质量的重要技术手段。

本文就激光焊接中的温度场和应力分析进行了深入探讨。

一、激光焊接中的温度场分析在激光焊接中，由于热源本身具有高的温度和较小的热影响区，所以焊接过程中产生的热量主要作用在局部的焊缝上。

在焊接过程中，由于材料的物理性质和热传递速率的不同，会在焊缝上形成不同的温度场。

为了分析并控制激光焊接中的温度场，需要运用有限元分析等方法进行模拟计算，得出焊缝温度分布曲线。

激光焊接中的温度场分析有利于确定焊接过程中的温度控制参数，从而保证焊接质量。

常见的温度控制参数包括激光功率、焊接速度、预热温度等，这些参数的优化和控制可以使得焊接质量更为稳定，同时也可以有效降低成本。

二、激光焊接中的应力分析激光焊接中的应力主要来自于焊接过程中的热冲击和材料内部应力的释放。

在焊接过程中，由于局部高温和快速冷却的作用，会使得焊件发生热变形，从而产生应力。

应力分析是为了控制焊接质量和避免铆接开裂等异常情况出现而进行的重要分析方法。

应力分析需要考虑到焊缝的几何形状、材料的物理性质、热传导、膨胀系数等因素，这些因素共同决定了焊接过程中的应力分布。

最常用的应力分析方法是有限元法，通过建立焊接模型，输入激光功率、焊接速度、预热温度等参数，得到局部应力变化规律，进而预测焊缝的应力分布，并指导焊接工艺优化。

三、激光焊接的应用激光焊接由于其高效、快捷、节能的特点，近年来已经广泛应用于机械、汽车、航空航天等领域的生产制造过程中。

例如，汽车发动机缸头、汽车轮毂、机械结构件等均采用激光焊接工艺制造。

同时，激光焊接也被广泛应用于高新技术领域，例如微电子封装、薄膜材料加工等领域。

激光焊接的应用需要依靠温度场和应力分析，保证焊接质量、连接强度和可靠性。

同时，激光焊接还需要在实际应用场景中不断进行工艺优化和改进，以适应新材料和新领域的应用需求，推动激光焊接技术的发展。

焊接过程中的数值模拟与仿真技术引言焊接是一种常见的金属加工方法，广泛应用于制造业领域。

然而，在焊接过程中，由于高温、高压和复杂的热力学环境，焊接工艺参数的选择和优化往往存在一定的挑战。

因此，借助数值模拟与仿真技术来模拟、预测和改善焊接过程已经成为焊接工程师的重要工具。

本文将介绍焊接过程中的数值模拟与仿真技术及其应用。

数值模拟与仿真技术的原理和方法数值模拟与仿真技术是利用数学方法和计算机技术对焊接过程进行模拟和预测的一种手段。

它基于物理学原理和数学方程，将焊接过程分解为多个离散的时间和空间步骤，并通过建立数学模型来描述焊接过程中的各种物理现象。

数值模拟与仿真技术的主要原理和方法包括：1. 热传导方程模型热传导方程模型是数值模拟与仿真技术中最基本的模型之一。

它基于热传导原理，通过建立热传导方程来描述焊接过程中热量的传递和分布。

该模型可以准确地预测焊接过程中的温度场分布和热应力分布，为焊接工艺参数的优化提供重要参考。

2. 流固耦合模型焊接过程中存在流体流动和固体熔化的复杂耦合现象。

为了更准确地模拟焊接过程，可以建立流固耦合模型。

该模型基于流体力学和固体力学原理，同时考虑熔化金属的流动和固体材料的变形。

通过该模型，可以分析焊接过程中的速度场、应力场和变形场等关键参数，为焊接过程的优化提供依据。

3. 相变模型焊接过程中熔化金属会发生相变，而相变过程对焊接接头的性能和质量具有重要影响。

为了准确预测焊接接头的相变行为，可以建立相变模型。

相变模型基于热力学和相变动力学原理，通过数学方程描述金属的熔化和凝固过程。

利用相变模型，可以研究焊接接头的晶体结构和应力分布，从而提高焊接接头的强度和可靠性。

4. 材料性能模型焊接过程中材料的热物理性质和机械性能会发生变化，对焊接接头的质量和性能产生重要影响。

为了更好地预测焊接接头的材料性能，可以建立材料性能模型。

材料性能模型基于材料力学和热学理论，通过数学方程描述材料在焊接过程中的变化规律。

焊接热过程仿真实验一、实验目的1、通过实验加强对瞬时点热源焊接温度场和焊接热循环的概念、影响因素、解析解和数值解的特点等的感性认识。

2、Matlab,Ansys软件的使用。

二、实验内容1、使用Matlab计算绘制瞬时点热源焊接温度分布曲线。

2、使用Aansys软件对瞬时点热源焊接温度场进行仿真计算，观察温度分布云图，绘制指定点的焊接热循环曲线，对瞬时点热源焊接温度场的影响因素进行定量定性的探讨。

三、实验步骤1、使用Matlab计算绘制瞬时点热源焊接温度分布曲线。

(1)启动Matlab软件；(2)打开新文件(3)编写程序（4）运行程序（5）记录指定时间的温度，绘制温度分布曲线。

2、使用Aansys软件对瞬时点热源焊接温度场进行仿真计算。

ANSYS软件采用有限元方法进行稳态、瞬态热分析，计算各种热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。

这些热载荷包括：对流，辐射，热流率，热流密度（单位面积热流），热生成率（单位体积热流），固定温度的边界条件。

采用ANSYS软件进行热过程分析可以用菜单交互操作和编程两种方式。

由于本次实验仅有两学时，学生又无该软件的使用经验，所以主要以程序调试为主，将重点放在参数影响因素的探讨。

（1）使用文本文件编辑器编写程序（2）以.mac为扩展名存盘（3）运行Ansys软件(4) 设置文件夹到程序所在文件夹（4）运行程序（5）使用General Postproc/Read Results读取指定时间的数据（6）使用General Postproc/Plot Results绘制温度场云图(7) 使用TimeHist Postproc/V ariable Viewer绘制指定点的热循环曲线，获取热循环曲线数据。

(8) 获取分析讨论所需的数据和依据改变网格密度对计算精度的影响（提示：改变程序中an、bn值）模型尺寸对精度的影响（提示：改变程序中a值）焊接件尺寸多大可以作为无穷大处理有限元数值解与解析解的比较（提示：选择若干个时间的数据比较）预热对焊接温度场、热循环曲线的影响（提示：改变程序中工件初始温度）焊接件与大气环境对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响（提示：增加对流传热条件）当材料性能不为常数对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响（提示：材料特性数据随温度变化）四、实验报告1、实验目的2、实验内容3、实验步骤4、实验结果与讨论温度场分布、变化规律热循环曲线及特点为何将模型分为网格尺寸不同的两个区改变网格密度对计算精度的影响模型尺寸对精度的影响，有限元数值解与解析解的比较焊接件尺寸多大可以作为无穷大处理预热对焊接温度场、热循环曲线的影响焊接件与大气环境对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响当材料性能不为常数对流传热对焊接温度场、热循环曲线的影响5、实验体会五、实验程序1、Matlab程序：pointheat2D.m%Instant point heatr= -4:.01:4;Q=3600;lan=0.4;c=0.65;p=7.8;cp=c*p;a=lan/cpfor t=1:1:10temp =2*Q/cp/(4*pi*a*t)^1.5*exp(-r.^2 /4/a/t);plot(r,temp)hold onendylabel('温度(C)')xlabel('距离r (cm)')grid on2、Ansys程序：pointh.mac! 步骤1：项目设置FINISH/CLEAR/FILNAME, Point heating!Give the analysis a title/TITLE,Point Heat! 步骤2：设置单元、材料特性参数/PREP7/UNITS,SIET,1,SOLID70 !单元类型选择MP,DENS,1,7800 !密度MP,KXX,1,40 !导热系数MP,C,1,650 !比热容!MPTEMP,1,0,227,727,1727,2727!MPDA TA,KXX,1,1,83.5,61.5,32.5,42.5,46!MPDA TA,C,1,1,430,540,980,847,400!MPTEMP,1,0,1533,1595,1670!MPDA TA,ENTH,1,1,0,7.5E9,9.6E9,1.05E10 !步骤3：建模a=0.04 !模型边长an=5 !边长上的单元数b=0.01 !网格密集区边长bn=10 !网格密集区边长上的单元数block,0,b,0,b,0,b !建模block,0,a,0,a,0,avovlap,all/pnum,volu,1vplot!步骤4：网格划分vsel,s,loc,z,0,bvatt,1,,1,0mshkey,1LESIZE,11, , ,bn, , , , ,1LESIZE,6, , ,bn, , , , ,1LESIZE,7, , ,bn, , , , ,1vmesh,allvsel,invevatt,1,,1,0esize,a/ansmrtsize,6mshape,1,3dmshkey,0vmesh,allvsel,all/VIEW,1,0.5,-1,0.5/TRIAD,OFF !Turn triad symbol off/REPLOT!步骤5：求解/SOLUANTYPE,TRANSIENT,NEW TRNOPT,FULLLUMPM,ONTOFFST,273TUNIF,20 ! 工件初始温度。

焊接模拟仿真方案
利用焊接模拟软件进行仿真是一种高效且可靠的方式，以帮助焊接工程师在实际焊接前预测和优化焊接过程。

下面介绍一个典型的焊接模拟仿真方案。

首先，通过3D建模软件将焊接部件和焊接设备进行建模。

确保模型的准确性和完整性，将焊接过程涉及的各个方面都考虑进去。

接下来，使用焊接模拟软件，将焊接电弧、焊接电流等物理参数设定为合适的数值，根据焊接工艺规范和焊接材料的特性进行设定。

然后，将模型加载到焊接模拟软件中，设置焊接路径、焊接速度、电流密度等参数，进行仿真模拟。

通过仿真软件中的实时反馈和结果分析功能，可以观察焊接过程中的温度分布、应力分布等信息。

在仿真过程中，可以根据需要对焊接参数进行调整和优化，以得到更好的焊接质量和性能。

同时，还可以进行故障分析，模拟不同故障情况下的焊接过程，评估其对焊接质量的影响。

最后，根据仿真结果进行优化设计，调整焊接参数和工艺，以获得最佳的焊接效果。

总之，利用焊接模拟仿真方案可以在实际焊接前预测和优化焊接过程，提高焊接质量和效率，减少材料浪费和生产成本。

这
是一种非常有价值的技术手段，对于焊接工程师和制造商来说都具有重要意义。

焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析1.1 焊接变形与焊接应力焊接时，加热和冷却循环总会导致一定程度的变形，焊接变形对尺寸稳定性以及结构力学性能都有很大的影响，控制焊接变形在焊接加工中是一个关键的任务。

在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生复杂的残余应力分布。

残余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面残余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以及结构疲劳强度。

对构件进行焊接，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。

焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接残余应力。

并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。

1.2 Ansys有限元焊接分析为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以及焊接后构件变形及残余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与残余应力进行了分析。

ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。

间接耦合法的处理思路为先进行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。

即：(1)使用热分析的手段进行热分析，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。

(2)重新进入前处理中,将热分析单元转换为相应的结构分析单元，设置结构分析中材料属性,如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。

《基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》篇一一、引言随着科技的发展，焊接技术作为制造行业中的关键工艺之一，其质量和效率直接关系到产品的性能和寿命。

因此，对焊接过程中的温度场和应力分布进行精确的数值模拟显得尤为重要。

ANSYS作为一种功能强大的工程仿真软件，被广泛应用于焊接过程的数值模拟。

本文将基于ANSYS，对焊接温度场和应力进行数值模拟研究，以期为实际生产提供理论依据。

二、焊接温度场的数值模拟1. 模型建立在ANSYS中建立焊接过程的有限元模型，包括焊件、焊缝、热源等部分。

其中，焊件采用实体单元进行建模，焊缝则通过线单元进行描述。

热源模型的选择对于模拟结果的准确性至关重要，应根据具体的焊接工艺选择合适的热源模型。

2. 材料属性及边界条件根据实际材料，设定焊件和焊缝的热导率、比热容、热扩散率等物理参数。

同时，设定初始温度、环境温度等边界条件。

3. 数值模拟过程根据焊接过程的实际情况，设定加载步和时间步长，模拟焊接过程中的温度变化。

通过ANSYS的热分析模块，得到焊接过程中的温度场分布。

三、焊接应力的数值模拟1. 耦合分析焊接过程中，温度场的变化会导致应力的产生。

因此，在ANSYS中，需要将在热分析中得到的温度场结果作为应力分析的输入条件，进行热-结构耦合分析。

2. 本构关系与材料模型根据材料的本构关系和力学性能，设定材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数等参数。

同时，选择合适的材料模型，如各向同性模型或各向异性模型。

3. 应力分析通过ANSYS的结构分析模块，结合耦合后的温度场结果，进行应力分析。

得到焊接过程中的应力分布和变化情况。

四、结果与讨论1. 温度场结果分析通过ANSYS的后处理功能，可以得到焊接过程中的温度场分布图。

分析温度场的分布情况，可以了解焊接过程中的热传导和热扩散情况，为优化焊接工艺提供依据。

2. 应力结果分析同样，通过后处理功能可以得到焊接过程中的应力分布图。

分析应力的分布和变化情况，可以了解焊接过程中产生的残余应力和变形情况。

焊接过程中的温度场模拟及其优化焊接是一种热加工方法，通过热源将金属加热到熔化状态，使得两个金属材料在熔池的作用下相互融合，从而形成一个整体。

然而，焊接过程中的高温和温度梯度对材料的组织和性能产生了很大的影响。

因此，温度场模拟和优化是保证焊接接头质量的关键所在。

一、焊接温度场模拟的原理和方法温度场模拟是利用计算机数值分析方法，对焊接过程中材料受热冷却的过程进行模拟，以求得焊接接头的温度分布、热应力和变形等信息。

在焊接过程中，热源会产生高温，材料受热后产生热量逐渐扩散到材料周围，直至热量逐步消散。

因此，要进行温度场模拟首先需要建立完整的三维模型，并设定良好的热源参数、材料物性参数和边界条件等。

温度场模拟可以采用多种方法，如有限元法、有限差分法、边界元法等。

其中，有限元法是目前最常用的一种模拟方法。

有限元法的基本思想是将连续的物理空间划分为有限的单元，利用变分原理和微分方程求解每个单元的温度分布。

在实际模拟中，有限元法可以分为三个步骤：建立有限元模型、求解有限元方程、分析计算结果。

二、焊接温度场模拟的优化方法在焊接过程中，由于材料性质和接头几何形状等原因，产生的温度场分布不稳定，会导致接头形变和热应力，影响接头的质量。

因此，需要通过温度场模拟来优化焊接过程，减少焊接缺陷。

1、热源优化热源参数的优化是焊接温度场模拟的重要步骤。

通过调整热源功率、焊接速度、焊接角度等参数，可以对焊接过程进行控制。

热源功率是控制焊接温度场分布的关键因素。

在模拟过程中，可以通过调整热源功率控制焊接过程中的温度分布，达到控制热影响区大小和缩小焊缝宽度的效果。

2、材料参数优化焊接材料的物性参数是影响温度场分布的另一个关键因素。

不同材料的热传导系数、比热容等物性参数不同，会对温度场产生影响。

因此，在温度场模拟时需准确设置焊接材料的物性参数，以求得更真实、可靠的计算结果。

3、边界约束优化边界约束条件是影响焊接接头形变和变形的重要因素。

焊接过程中的温度场与应力场仿真焊接是一种常见的金属加工方法，通过加热和冷却的过程将两个或多个金属零件连接在一起。

在焊接过程中，温度场和应力场是两个重要的物理现象，对焊接质量和工件性能有着重要的影响。

本文将探讨焊接过程中温度场和应力场的仿真分析。

1. 焊接过程中的温度场仿真焊接过程中，电弧或激光等热源会将焊接区域加热到高温，使金属材料熔化并形成焊缝。

温度场仿真可以帮助我们了解焊接过程中的温度分布情况，进而优化焊接参数和工艺。

首先，我们可以使用有限元分析方法进行温度场仿真。

有限元分析是一种基于数值计算的方法，将复杂的物理问题离散化为有限个简单的子问题，通过求解这些子问题来获得整体的解。

在焊接过程中，我们可以将焊接区域离散化为一系列的小单元，然后根据热传导方程和边界条件，求解每个小单元的温度分布。

通过将这些小单元的温度场拼接起来，就可以得到整个焊接区域的温度场分布。

其次，我们还可以使用计算流体力学（CFD）方法进行温度场仿真。

CFD方法是一种基于流体力学原理的计算方法，可以模拟流体的运动和传热过程。

在焊接过程中，焊接区域的气体和熔池的流动对温度场分布有着重要的影响。

通过建立焊接区域的几何模型、设置边界条件和求解流动和传热方程，我们可以得到焊接过程中气体和熔池的温度分布情况。

温度场仿真可以帮助我们分析焊接过程中的热效应，进而优化焊接参数和工艺。

例如，通过仿真分析，我们可以确定合适的预热温度和焊接速度，以控制焊接区域的温度分布，避免产生焊接缺陷和变形。

2. 焊接过程中的应力场仿真焊接过程中的温度变化会引起金属材料的热膨胀和收缩，从而产生应力。

应力场仿真可以帮助我们了解焊接过程中应力的分布情况，预测焊接区域的变形和残余应力。

与温度场仿真类似，应力场仿真也可以通过有限元分析和CFD方法来实现。

在有限元分析中，我们可以将焊接区域离散化为一系列的小单元，并根据材料的本构关系和边界条件，求解每个小单元的应力分布。

通过将这些小单元的应力场拼接起来，就可以得到整个焊接区域的应力场分布。