焊接温度场和应力场的有限元模拟

焊接技术培训中焊接变形与残余应力的数值模拟焊接是一种常见的金属连接方法，广泛应用于各个行业。

然而，在焊接过程中，产生的焊接变形和残余应力往往会对工件的性能和质量造成一定影响。

因此，在焊接技术培训中，对焊接变形和残余应力进行数值模拟分析具有重要意义。

本文将探讨焊接技术培训中焊接变形与残余应力的数值模拟方法，并分析其应用前景。

一、焊接变形数值模拟焊接变形是指在焊接过程中，由于热引起的热应力和相变引起的力学应力而引起的构件变形现象。

为了准确预测焊接变形的情况，可以采用有限元数值模拟方法。

有限元数值模拟方法是一种将实际工程问题离散化为有限个简化的小单元进行计算的方法。

在焊接变形数值模拟中，首先需要建立焊接过程的热力耦合模型。

通过考虑焊接热源的热输入、热传导以及材料的相变特性等因素，可以准确地模拟焊接过程中的温度场变化。

然后，根据热力耦合模型，引入材料的本构关系和相变模型，可以计算得到焊接过程中的变形情况。

在数值模拟中，可以通过调整热源功率、焊缝几何形状以及材料的初始状态等参数，来对焊接变形进行优化。

此外，在数值模拟中还可以分析焊接变形对工件性能的影响，以指导焊接技术的改进和优化。

二、残余应力数值模拟焊接过程中产生的残余应力是指焊接完成后，由于焊缝区域的热胀冷缩差异而引起的应力。

残余应力的存在会降低工件的疲劳寿命和强度，甚至引发裂纹等问题。

因此，对焊接过程中的残余应力进行数值模拟分析是十分重要的。

在焊接残余应力数值模拟中，一般采用后处理方法来分析残余应力的分布和变化。

通过将焊接过程中的温度场和应力场输入到数值模拟软件中，可以得到焊接残余应力的分布情况。

同时，可以通过调整焊接参数和材料性质等因素，来研究焊接残余应力的变化规律。

在实际工程应用中，焊接残余应力数值模拟可以用于评估焊接工艺的可行性，为焊接工艺参数的选择提供依据。

此外，还可以通过优化焊接过程来减小残余应力的产生，提高工件的使用寿命和安全性。

三、数值模拟应用前景焊接技术培训中焊接变形与残余应力的数值模拟方法，在实际应用中具有广阔的前景。

有限元数值仿真焊接有限元数值仿真是一种通过计算机数值模拟物理现象的方法，在工业生产过程中具有广泛应用。

在焊接工艺中，有限元数值仿真可以模拟焊接时的温度场、应力场、塑性应变等，从而预测焊接过程中可能出现的问题。

本文将介绍有限元数值仿真在焊接中的应用。

有限元数值仿真是一种基于数学模型的数值计算方法，用于模拟各种物理现象，包括结构力学、流体力学、热传导等。

该方法将连续体划分为有限数量的单元，在每个单元内建立数学模型进行计算，然后通过单元之间的边界条件关系，将所有单元的结果综合起来得到整体结果。

在焊接中，有限元数值仿真可以将焊接过程分为一系列的时间步骤，每个时间步骤内进行温度场、应力场、塑性应变等参数的计算，并通过不同的单元间的耦合关系完成最终的模拟，得到焊接过程中的温度场、应力场等参数。

1. 模拟焊接过程中的温度场有限元数值仿真可以模拟焊接过程中的温度场分布，对于评价焊接接头的质量和找出潜在的焊接问题非常有帮助。

通过数值仿真，可以预测焊缝的温度分布，从而避免出现焊接缺陷，如裂缝、变形等。

2. 分析焊接接头的应力场在焊接接头中，由于温度的变化，焊缝处可能存在应力集中，而应力集中部位可能会导致焊接接头的破坏。

有限元数值仿真可以模拟焊接接头的应力场分布，查找潜在的应力集中问题，并提供相应的解决方案。

3. 预测焊接接头的变形焊接过程中，由于热应力的影响，焊接接头可能会发生变形。

有限元数值仿真可以预测焊接接头的变形情况，并提供解决方案。

同时，这也可以作为指导焊接过程控制的重要依据。

焊接接头的塑性应变是评价焊接接头质量的一个重要指标。

有限元数值仿真可以模拟焊接接头的塑性应变，以评估接头的结构强度和稳定性。

三、有限元数值仿真的研究发展现状随着计算机技术的发展，有限元数值仿真在焊接领域已经取得了很大的进展。

目前，国内外多个研究机构都在进行有限元数值仿真技术的应用研究。

例如欧洲联盟已经成立了一支由11个成员组成的焊接数值分析小组，他们致力于推动有限元数值仿真技术的发展和应用。

基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究一、本文概述随着现代工业技术的飞速发展，焊接作为一种重要的连接工艺，在航空、汽车、船舶、石油化工等领域的应用日益广泛。

然而，焊接过程中产生的温度场和应力场对焊接结构的性能有着至关重要的影响。

为了深入理解焊接过程中的热-力行为，预测焊接结构的变形和残余应力，进而优化焊接工艺参数和提高产品质量，本文旨在利用ANSYS有限元分析软件，对焊接过程中的温度场和应力场进行数值模拟研究。

本文首先简要介绍了焊接数值模拟的意义和现状，包括焊接数值模拟的重要性、国内外研究现状和存在的问题等。

随后，详细阐述了ANSYS 软件在焊接数值模拟中的应用，包括其基本原理、分析流程、模型建立、参数设置等方面。

在此基础上，本文以某典型焊接结构为例，详细阐述了焊接温度场和应力场的数值模拟过程，包括模型的建立、边界条件的设定、求解参数的选择、结果的后处理等。

对模拟结果进行了详细的分析和讨论，验证了数值模拟方法的准确性和可靠性，为实际工程应用提供了有益的参考。

本文的研究不仅有助于深入理解焊接过程中的热-力行为，为优化焊接工艺参数和提高产品质量提供理论支持，同时也为ANSYS软件在焊接数值模拟领域的应用推广和进一步发展奠定了基础。

二、焊接理论基础焊接是一种通过加热、加压或两者并用，使两块或多块金属在原子层面结合形成永久性连接的工艺过程。

焊接过程涉及复杂的物理和化学变化，包括金属的熔化、凝固、相变以及应力和变形的产生等。

因此，深入了解焊接过程的理论基础对于准确模拟焊接过程中的温度场和应力分布至关重要。

焊接过程中，热源将能量传递给工件，导致工件局部快速升温并熔化。

熔池形成后，随着热源的移动，熔池中的液态金属逐渐凝固形成焊缝。

焊接热源的类型和移动速度、工件的材质和厚度等因素都会影响焊接过程的温度场分布。

为了准确模拟这一过程，需要了解各种热源模型（如移动热源模型、体积热源模型等）及其适用范围，并选择合适的模型进行数值模拟。

102科学技术Science and technology钢铝复合轨焊接温度场及应力场数值模拟黄 倩（中铁建电气化局集团科技有限公司，河北 保定 074000）摘 要：本文分析了钢铝复合轨焊接后温度及残余应力的分布，利用有限元进行仿真分析，采用单元生死技术实现。

数值分析的结果表明：残余应力主要为纵向应力，残余变形主要为纵向变形，最大变形量位于焊缝收弧处，为理论设计提供了指导。

关键词：钢铝复合轨；焊接温度场；焊接变形；残余应力中图分类号：F124 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2020）21-0102-2收稿日期：2020-11作者简介：黄倩，女，生于1987年，汉族，河北定州人，硕士研究生，工程师，研究方向：城市轨道交通供电轨的研制。

接触轨是将电能传输到地铁和城市轨道交通系统电力牵引车辆上的装置，电力的输送是通过车辆集电靴与接触轨的接触来实现的。

早期的接触轨主要是低碳钢材料制造的，北京地铁和天津地铁的第三轨采用的是低碳钢导电轨。

随着城市轨道交通的发展，传统的低碳钢导电轨存在导电性差、重量大、腐蚀严重、成本高等缺点，已无法满足更高的使用要求。

为加大导电轨的一次输电距离、改善受流条件、减小机械磨损和电腐蚀，提高经济和社会效应，目前主要应用为钢铝复合形式[1]。

国内钢铝复合轨主要为焊接式、铆接式和共挤式，并在北京、天津、广州和无锡等地铁线路上得到应用[2]。

焊接式钢铝复合轨主要包括铝轨本体和不锈钢，不锈钢通过焊接连接，实现与铝轨本体的包覆。

本文主要对一种焊接型钢铝复合轨进行焊接数值模拟分析，得到其温度场和应力场的分布，为产品设计提供理论指导。

1 有限元模型建立ANASYS 软件是一个融结构、热、流体、电磁、声学等分析于一体的大型、通用的有限元软件。

焊接温度场、应力场的模拟是运用其热、结构及二者耦合分析功能进行计算，即先运用其热分析功能计算整个焊接过程的温度场，然后将温度场的计算结果作为热载荷进行结构的力学分析，得到应力场的整个动态变化过程[3]。

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。

低压直流电弧焊接过程中温度场与应力场的数值模拟在工业生产中，低压直流电弧焊接已成为常用的一种焊接方式。

在焊接过程中，温度场和应力场是非常重要的参数。

通过数值模拟可以对这些参数进行预测和优化，在提高焊接质量和效率方面有着重要的作用。

首先，我们来了解一下低压直流电弧焊接的基本原理。

低压直流电弧焊接是在电流作用下将物体熔化并焊接在一起的一种方式。

电弧产生时，焊接区域温度迅速升高，形成一个高温区。

高温区内的金属熔化并与周围的金属融合，从而实现焊接目的。

在这个过程中，温度场和应力场是密切关联的。

温度场的变化会导致物体中的应力分布发生改变。

应力场的分布又会影响温度场的分布。

因此，在进行低压直流电弧焊接时，需要综合考虑温度场和应力场的影响。

数值模拟是对焊接过程中温度场和应力场进行预测和优化的常用方法。

数值模拟可以通过计算物体内部的温度和应力分布，提前判断焊接过程中可能出现的问题，并优化焊接参数，以达到最优的焊接效果。

一般来说，数值模拟有两种方法：有限元法和边界积分法。

有限元法通过将较复杂的物体划分为许多小的单元，对每个单元内部的温度和应力进行计算，再将单元之间的影响整合起来，得到整体的温度场和应力场分布。

边界积分法则先对物体表面和焊接区域的边界进行计算，再通过整合边界处的影响，计算出整体的温度场和应力场分布。

数值模拟的结果可以用来优化焊接参数，例如选择合适的焊接电流、焊接速度和焊接角度等，以减小应力集中和裂纹产生的风险。

对于焊接过程中可能出现的变形问题，也可以通过数值模拟来预测和优化。

这些预测和优化操作可以帮助人们在焊接过程中取得更好的效果。

综上所述，低压直流电弧焊接中温度场和应力场是焊接质量和效率的重要参数。

通过数值模拟，可以提前预测和优化这些参数，从而提高焊接质量和效率。

各种数值模拟方法都有其优点和适用范围。

在具体的生产中，需要综合考虑工艺条件和需求，选取合适的数值模拟方法和参数，以达到最佳效果。

焊接变形的数值模拟及优化一、引言焊接是工程中常用的连接方式，但焊接过程中容易产生焊接变形。

焊接变形会影响构件的几何形状和尺寸精度，影响构件的力学性能和使用寿命，甚至会导致构件的失效。

因此，焊接变形的研究和控制对于保证构件的质量和可靠性至关重要。

二、焊接变形的成因焊接变形是由于热量作用引起的，主要有以下几个因素：1. 热应力：焊接时产生的热应力是导致焊接变形的主要因素。

焊接过程中，被加热区域与周围冷却区域温度差异大，会产生热应力，导致构件产生变形。

2. 材料的吸收和释放热量不均：焊接材料吸收和释放热量不均，也会导致构件产生变形。

3. 组合焊接：组合焊接中，不同材料的热膨胀系数不同，会导致构件产生变形。

4. 焊接接头的约束：未进行约束的焊接件，由于热应力作用，会产生变形。

三、焊接变形的数值模拟方法模拟法是预测焊接变形的主要方法。

常用的数值模拟方法有：1. 有限元模拟法：有限元模拟法是目前应用最广泛的一种方法。

它将焊接过程分成多个时间步骤，通过求解膨胀系数、界面温度、应力和变形加以模拟。

有限元模拟法的优点是可以精确计算各个变形量，可以对构件进行优化 design，但是计算复杂度较高，需要耗费大量时间和计算资源。

2. 数值解法：数值解法将焊接过程离散成若干网格，利用求解热传导方程和力学方程来计算温度场、应力和变形。

数值解法计算速度较快，计算过程较为简单，但是精度可能不如有限元模拟法。

3. 改进边界元法：改进边界元法是一种适用于模拟大型结构的方法。

它通过界面条件和位移边界条件来计算温度场、应力和变形。

改进边界元法计算速度快，而且计算精度较高，但是限于模型的准确性，只适用于特定结构的模拟。

四、焊接变形的优化方法为了降低焊接变形，常用的优化方法有：1. 焊接参数的合理选择：选取合适的焊接参数（如焊接速度、电弧电流、电压等）可以保证焊缝的质量，减小变形量。

2. 焊接布局的合理设计：合理布局焊缝可以减小变形量。

例如，直角焊缝变形量较小，可以作为焊接连接点；而纵向焊缝容易产生变形，尽量避免使用。

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。

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沈阳工业大学硕士学位论文焊接温度场和应力场的数值模拟姓名：王长利申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：董晓强 20050310沈阳工业大学硕士学位论文摘要焊接是一个涉及电弧物理、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。

一旦能够实现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。

本文在总结前人的工作基础上系统地论述了焊接过程的有限元分析理论，并结合数值计算的方法，对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时动态模拟研究，提出了基于ＡＮＳＹＳ软件为平台的焊接温度场和应力场的模拟分析方法，并针对平板堆焊问题进行了实例计算，而且计算结果与传统结果和理论值相吻合。

本文研究的主要内容包括：在计算过程中材料性能随温度变化而变化，属于材料非线性问题；选用高斯函数分布的热源模型，利用函数功能实现热源的移动。

建立了焊接瞬态温度分布数学模型，解决了焊接热源移动的数学模拟问题；通过改变单元属性的方法，解决材料的熔化、凝固问题；对焊缝金属的熔化和凝固进行了有效模拟，解决了进行热应力计算收敛困难或不收敛的问题；对焊接过程产生的应力进行了实时动态模拟，利用本文模拟分析方法，可以对焊接过程的热应力及残余应力进行预测。

本文建立了可行的三维焊接温度场、应力场的动态模拟分析方法，为优化焊接结构工艺和焊接规范参数，提供了理论依据和指导。

关键词：焊接，数值模拟，有限元，温度场，应力场沈阳工业大学硕士学位论文ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄＡｂｓｔｒａｃｔＷｅｌｄｉｎｇｉｓａｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａ／ｐｒｏｃｅｓｓｗｌｆｉｅｈｉｎｖｏｌｖｅｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ，Ｍａｔｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ，ｍｅｔａｌｍｅｌｔｉｎｇａｎｄｆｒｅｅｚｉｎｇ，ｐｈａｓｅ?ｃｈａｎｇｅｗｅｌｄｉｎｇＳＯｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｏｎ，Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｇｅｔｈｉｇｈｑｕａｆｉｔｙｗｅｌｄｉｎｇｓｔｍｃｔｔｌｒｅ，ｔｈｅｓｅｆａｃｔｏｒｓｈａｖｅｔｏｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｉｆｃａｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｗｉｔｈｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅｂｅｓｔｄｅｓｉｇｎ，ｐｍｃｅｄｕｒｅｍｅｔｈｏｄａｎｄｏｐｔｉｍｕｍｗｅｌｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＢａｓｅｄＯｉｌｓｕｍｍｉｎｇｕｐｏｔｈｅｒ’Ｓｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｅｍｐｌｏｙｉｎｇｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌ删ｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅ３Ｄｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ｔｈｅｎｕｓｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｂｏａｒｄｓｕｒｆａｃｉｎｇｂｙＦＥＭｓｏｆｔＡＮＳＹＳ．Ａｔｔｈｅｔｈｅｏｒｙｒｅｓｕｌｔ．ｓａｍｅｔｉｍｅ．ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔａｃｃｏｒｄｓｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔａｎｄＴｈｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐａｐｅｒａｒｅａｓｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｓａｍａｔｅｒｉａｌｎｏｎｌｉｎｅａｒｐｒｏｃｅｄｕｒｅｔｈａｔｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｈａｎｇｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＧａｕｓｓａｓｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｈｏｏｓｅｈｅａｔｓｏｕｒｃｅｍｏｄｅｌ．ｕｓｅｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｔｏａｐｐｌｙｌｏａｄｏｆｍｏｖｉｎｇｈｅａｔＳ０１２Ｉｅ－２．ＡｍａｔｈｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｏｆｔｒａｎｓｉｅｎｔｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｗｅｌｄｉｎｇｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｍｏｖｉｎｇｏｆｔｈｅｈｅａｔｓｏＢｒｃｅ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｅｓｈｓｉｚｅ，ｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｗｅｌｄｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｒａｄｉｕｓｅｌｅｃｔｒｉｃａｒｃｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａ比ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｆｕｓｉｏｎａｎｄｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｈａｓｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄｂｙｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｔｈｅｅｌｅｍｅｎｔｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｏｒｔｈｅｕｎ—ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｏｆｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｌＴｅｓｓｉｓｓｏｌｖｅｄ；ｔｈｒｏｕｇｈｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｐｒｏｄｕｃｅｄｉｎｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓａｎｄｒｅｓｉｄｕａｌＳｌｌ℃ＳＳｉｎｗｅｌｄｉｎｇｃａｎｂｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｆｅａｓｉｂｌｅｓｌＩｅｓｓｄｙｎ黜ｆｉｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｎ３Ｄｗｅｌｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，ｏｎｆｉｅｌｄｈａｄｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｏｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇｔｈｅｗｅｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＫＥＹＷＯＲＤ：Ｗｅｌｄｉｎｇ，ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄ，Ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．２．独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

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。

T型接头焊接温度场与应力场的数值模拟引言T型接头是一种常见的焊接结构，在工程领域有广泛的应用。

在焊接过程中，温度场和应力场的分布对于焊接接头的质量和性能起着重要作用。

因此，探究T型接头焊接过程中的温度场和应力场分布，在改进焊接工艺和优化接头设计方面具有重要意义。

本文接受有限元数值模拟方法，对T型接头焊接过程中的温度场和应力场进行了分析和模拟。

通过探究接头的材料特性、焊接参数和接头几何外形对温度场和应力场的影响，揭示了焊接过程中的关键问题和挑战。

1. 模型建立与材料特性分析起首，依据实际焊接接头的几何外形和尺寸，建立了T型接头的三维有限元模型。

接头材料的热物性参数、热传导系数和热膨胀系数等材料特性也在模型中思量。

通过对材料特性的分析，可以确定模型中的参数，为后续的数值模拟提供准确的输入条件。

2. 温度场模拟与分析在焊接过程中，热源会加热接头，导致温度提高。

为了理解焊接过程中温度场分布的规律，我们使用了热传导方程来模拟接头的温度场。

依据热传导方程的边界条件和初值条件，可以求解得到接头在不同时间点的温度分布状况。

通过数值模拟，我们得到了焊接过程中温度场的分布曲线。

可以发现，在焊接开始时，温度场的分布不匀称，呈现出高温区和低温区。

随着焊接时间的增加，高温区逐渐扩散并向焊缝两侧挪动，直到逐渐平稳。

这个温度分布的过程对于焊接接头的质量起着至关重要的作用。

3. 应力场模拟与分析焊接过程中的热应力和残余应力是导致接头变形和开裂的主要原因之一。

因此，探究焊接过程中的应力场分布对于理解接头的力学行为和猜测接头的寿命具有重要意义。

我们接受了热弹性力学理论来模拟焊接过程中的应力场。

依据焊接过程中的温度分布和材料的热力学参数，可以计算得到焊接接头中应力场的分布状况。

通过数值模拟，我们发现焊接过程中的应力场分布与温度场的分布有密切干系。

焊接接头在局部区域产生了较大的应力集中，同时沿着焊缝的方向形成了应力梯度。

这些应力分布特征对于焊接接头的破裂和变形具有重要的影响。

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与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剩余应力分布。

剩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剩余应力相叠加，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与结构疲劳强度。

对构件进展焊接，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，称为焊接剩余应力。

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与焊接后构件变形与剩余应力分布分析，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剩余应力进展了分析。

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展温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接剩余应力与变形。

即：(1)使用热分析的手段进展热分析，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。

焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究1.引言焊接是一种常用的金属连接方法，在工业生产中应用广泛。

焊接材料的成型加工过程决定了焊接接头的质量和性能。

为了提高焊接接头的质量和效率，需要进行数值模拟和仿真分析，以预测焊接过程中的温度场、应力场、相变和变形等物理现象，并优化焊接参数和工艺。

本文将重点介绍焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析的研究方法及其应用。

2.数值模拟方法2.1 有限元方法有限元方法是一种常用的数值模拟方法，它将连续的物理领域离散化为有限数量的小单元，通过求解这些小单元上的方程组，得到整个物理领域的解。

在焊接材料成型加工过程中，可以将焊接区域划分为多个小单元，根据材料的热传导、应力-应变关系和相变规律，建立有限元模型，并求解温度场、应力场和相变变化等。

有限元方法可以对焊接过程中的多个物理现象进行耦合分析，提供详细的信息，对焊接过程进行准确的数值模拟。

2.2 计算流体力学方法计算流体力学方法是一种求解流体动力学方程的数值方法，可以用于模拟焊接过程中的流动和换热现象。

在焊接过程中，熔化金属的流动对焊接接头的形成和质量有重要影响。

计算流体力学方法可以建立焊接过程中的流动模型，模拟熔融金属的流动和焊接池的形成过程，从而预测焊接接头的形态和性能。

计算流体力学方法在焊接过程中的应用主要包括熔化金属的流动和焊接池的形成、焊接接头的形态和质量预测等方面。

2.3 相场模型相场模型是一种描述各相界面和相变过程的数学模型，适用于焊接材料成型过程中的相变和相界面追踪。

相场模型通过引入一个连续的相场函数，描述了相变系统中每种物质的存在程度，并与守恒方程和变分原理相结合，建立了相变系统的方程组。

在焊接材料成型加工过程中，相场模型可以用于预测焊接材料的熔化、凝固和晶体生长等相变过程，研究焊接接头的形态和组织演变。

3.仿真分析方法3.1 温度场分析温度场是焊接过程中的重要参数，直接影响焊接接头的组织和性能。

SUPER304H和TP91钢异种钢焊接温度场和应力场数值模拟第一章引言材料、能源和信息是人类文明的三大支柱，材料是物质的基础，其中钢铁是材料最重要的组成部分，因此钢产量是衡量一个国家综合经济实力的重要指标之一，也是我国工业化进程中的支柱产业。

自我国改革开放以来，由于经济持续高速增长，拉动了钢铁工业的发展，使我国的钢产量近几年来出现了迅速增长。

从而使我国成为世界上头号钢铁生产大国，同时也成为世界最大的头号钢铁消费国f}l对比整个钢铁工业，不锈钢则是一个近十几年快速发展起来的新产业，从1992年开始，中国不锈钢需求量呈迅速增长态势;到2001年不锈钢在中国的表观消费量位居世界第一;到2006年我国不锈钢粗钢年产量己达530万t，跃居世界第一位;2007年不锈钢粗钢产量则突破700万t，占全球不锈钢产量的1/4，继续保持年产量世界第一;据有关专家预测，到2010年我国不锈钢粗钢年产量和表观消费量都将突破1000万t}2_5}。

但国产不锈钢的产量目前只能满足国内市场的50%-60%，许多高端不锈钢产品还主要依靠进口[fbl，随着国民经济的高速发展，我国对不锈钢的需求量越来越大，提高不锈钢的产量尤其是开发高端不锈钢产品，已成为我国钢铁产业的重要发展方向之一。

可以预计，随着不锈钢产业的发展，其在国民经济中的地位也将会更加突出。

在能源方面，我国的煤炭储存相对较为丰富，因此今后很长一段时间内火力发电仍是我国主要的发电方式，但我国人口众多，煤炭的人均占有量很低，同时环境污染问题受到广泛的关注，因此节能和环保是建设节约和谐型社会的一个重要组成部分。

1.1课题产生背景我国是一个以煤为主要一次能源的国家。

在电力工业中，中国电力企业联合会2007年统计，火电机组装机容量约为77%;水电约为21%;核电约占1.2%。

火电机组的发电量占总发电量的80%以上，其中燃煤电站占总发电量的76%所消耗的煤炭占煤炭总产量的34%，发电用煤占煤炭总产量的比例逐年上升，以煤炭为主的能源结构，在今后较长时期内不会有大的改变，更不可能减少煤炭的消耗量。

焊接变形模拟介绍焊接是一种常见的加工工艺，用于将两个或多个金属分别或混合在一起，这个过程涉及到许多物理和化学变化。

在使用热能源和力量的过程中产生应力，这些应力可能导致部件变形，从而影响到组件的精度。

因此，对于焊接变形进行模拟和分析是十分重要的。

本文主要介绍焊接变形的模拟方法、常见的变形机理，并对未来的研究方向进行了展望。

模拟方法焊接变形是一个多物理场、多尺度、多参数的过程。

为了准确模拟焊接变形，需要了解焊接过程中的温度场、应力场、位移场等物理场，并考虑影响焊接变形的因素，例如材料性质、几何形状等。

目前，焊接变形的模拟方法主要有以下几种：有限元方法有限元方法是一种广泛应用的数值计算方法，它将一个连续体划分为许多子区域（有限元），通过求解形变和应力状态在每个元素中的方程来描述整个连续体。

使用有限元方法进行焊接变形模拟需要考虑温度场、热传导、几何模型、材料参数等多个参数，这些参数的不确定性会影响模拟结果的准确性。

计算流体力学方法计算流体力学方法是一种模拟流体流动和传递热量的数值计算方法，它可以用来模拟金属材料在焊接过程中的瞬时温度场和流场。

然后，通过将温度场和流场输入有限元分析中，可以计算出整个组件在焊接过程中的应力和变形。

分析法分析法是一种使用经验、经验和实验数据来估计焊接变形的方法。

通过求解各种材料模型、形态模型和边界条件，可以对焊接变形进行分析。

但是，分析法只适用于特定的焊接过程和几何形状，并不能用于总体性能预测。

常见变形机理焊接变形机理是指焊接过程中金属材料发生变形的原因和机理。

热缩热缩是由于热应变引起的焊接变形之一。

当金属材料在加热到高温时，它会发生热膨胀。

当金属退火或冷却时，它又会发生热收缩。

这种热收缩会导致焊接部位出现应力，进而引起变形。

熔池流动和凝固收缩熔池流动和凝固收缩是由于焊接过程中金属材料在液态状态下的相变引起的焊接变形之一。

当金属材料熔化形成熔池时，熔池内部的金属流动会导致较大的应变和变形。

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哈尔滨工程大学硕士学位论文焊接温度场与应力场的数值分析姓名：夏培秀申请学位级别：硕士专业：固体力学指导教师：何蕴增 20050201摘要本文用有限元方法研究了温度场和热应力的分布规律。

模拟对象一是开有圆孔的无限大薄板，另一个是两张对接焊的钢板。

文中对开有圆孔的无限大薄板的研究，一是假设材料的机械性能不随温度变化的情况下，计算出了开有圆孔的无限大薄板的稳恒温度场和弹性热应力的解析解。

二是用有限元法对该薄板进行了两种情况下的计算，一种情况是假设材料的机械性能不随温度变化，另一种情况是材料的机械性能随温度变化。

最后将计算结果进行了对比，证明了有限元解的正确性，同时说明了材料的机械性能随温度变化对板中的径向热应力的影响很大。

本文在对两张钢板对接焊的焊接应力的研究中，首先建立了一种计算简化模型；其次用有限元法对钢板的焊接应力进行了计算，计算结果与文献相吻合，钢板在靠近焊缝的区域内出现了拉应力。

并从理论上分析了该结果的合理性。

焊接应力的存在，会直接影响到结构的承载能力，为了保证焊接结构的安全可靠，准确的推断焊接过程中的力学行为和焊接应力是十分重要的课题。

因此本文的研究成果对科学研究和工程设计都具有重要意义。

关键词：热传导；热应力；热应变；有限元法；对接焊钢板ＡＢＳＴＲＡＣＴＩｎｐｒｅｓｅｎｔｐａｐｅｒ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ＳＯｔｈａｔｔｗｏｔｙｐｅｓｏｆｍｏｄｅｌｓｗｏｕｌｄｂｅｓｉｍｕｌａｔｅｄ．Ｆｉｒｓｔｍｏｄｅｌ，ａｎｉｎｆｉｎｉｔｅｓｈｅｅｔｗｉｔｈａｃｉｒｃｕｌａｒｏｐｅｎｉｎｇ；ｓｅｃｏｎｄｏｎｅ，ｔｗｏｂｕｔｔ—ｗｅｌｄｅｄｓｔｅｅｌｂｏａｒｄｓ．Ｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｆｏｒｍｅｒｍｏｄｅｌ，ｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｓｏｆｓｔｅａｄｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄａｎｄｅｌａｓｔｉｃｔｈｅｒｍａｌｓｔｒｅｓｓｗｅｒｅｇｉｖｅｎｗｉｔｈｔｈｅａｓｓｕｍｐｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｄｏｎｌｔｃｈａｎｇｅｗｉｔｈｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．ＡｌｓｏＦＥＭｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｗｏｃａｓｅｓ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｉｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃａｓｅｄｏｎ。