例19 平板的对接焊缝的温度场和应力场
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不锈钢平板焊接过程的温度场模拟
不锈钢平板焊接过程的温度场模拟袁训锋;柯昌珍;陈武彦;田敏【摘要】以厚大不锈钢平板件作为焊接材料,采用直接差分法求解热传导方程,运用C++语言编写模拟程序,再现焊接过程中的温度场分布,研究了热量集中系数对温度场分布及热影响区的影响.结果表明:焊接过程中,在移动热源前方等温线较密集,热源后方等温线较稀疏,以焊接点为中心,热扩散层呈辐射状.随着热量集中系数k的增加,材料的最高温度和最低温度均升高,热影响区域面积减小.【期刊名称】《中国铸造装备与技术》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】3页(P9-11)【关键词】焊接过程;温度场;直接差分法;数值模拟【作者】袁训锋;柯昌珍;陈武彦;田敏【作者单位】商洛学院,陕西商洛726000;商洛学院,陕西商洛726000;商洛学院,陕西商洛726000;商洛学院,陕西商洛726000【正文语种】中文【中图分类】TG457焊接是涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。
采用理论方法分析将遇到巨大的数学困难，采用传统试验方法研究无法揭示焊接过程的物理本质，数值模拟技术能够克服理论分析和传统试验研究所遇到的困难，已经成为研究焊接过程的重要工具。
在焊接过程数值模拟的发展中，Goldak［1］针对激光焊接、电子束焊接，焊接电弧的穿透作用而不考虑电子束，提出一个半球形的源分布函数，建立了焊接过程数值模拟的热源模型。
薛忠明［2］等在激光小孔传热模型的基础上进行深度的分析，将移动线热源条件下的稳态温度场与高斯分布热源下的温度场二维瞬态有限元分析结果进行对比。
曾祥呈［3］等利用APDL编写程序，模拟了激光焊接过程中的焊接原材料表面温度场的变化。
王希靖［4］等建立了搅拌摩擦焊的热输入模型，借助ANSYS有限元工具，再现了铝合金薄板搅拌摩擦焊过程的温度场，获得了温度场空间分布随时间的变化规律。
胡瑢华［5］等以薄板件单层成形为研究对象，分析了不同的堆积轨迹对温度场的影响，从而为合理选择成形过程的扫描路径提供理论依据。
焊接结构学口试题解答(200题完整版)
QA ( AP) 2 TA exp[ b 10] hc (4 a 10) 4a 10 QB ( BP) 2 exp[ b 10] hc (4 a 10) 4a 10 TP TA TB TB
正确的做法是，利用 2-58 的固定连续点热源极限状态温度公式，计算 Tlim： q UI Tlim ( R, x)-T0 2 R 2 R 之后利用热饱和和热均匀来计算：
T 0 y
动量方程和连续性方程的边界条件： 在固体中和固液相界面上——速度与坐标相同
u u0 , v 0, w 0
在熔池表面上——粘力与表面张力
v z T u z T
T y T x
（3）体积力初始条件 体积力 X，Y，Z 包括电磁力和自然对流项
3
v v2 R, 3 t ，查下表获得热饱和函数 ( i , i ) ， 2a 4a
A 点造成 P 的温升： 先饱和后热均匀时， T (t ) T0 Tli [(t ) (t 10)] ，t=15s 时的温度； B 点造成 P 的温升：
只有热饱和过程， T (t ) T0 ( i , i )Tli ，计算 10s 的温度； 之后二者相加 TP TA TB 。 15. 移动点热源作用下，构件上哪点的温度与热源移动速度无关？（P22-P23） 条件：有不变功率为 q 的连续作用点热源沿半无限体表面匀速直线移动，热源 移动速度为 v。忽略起始阶段与收尾阶段，并认为在准稳态温度场。我们考虑极 限状态 t∞，以等速度沿半无限体表面运动的、不变功率的点热源的热传导过 程极限状态方程 q Rx T ( R, x) exp( v) 2 R 2a q 当 x=-R(热源后方)， T 该点与运动速度 v 无关。 2 R 16. 快速移动热源作用下的温度场有何特征，为什么？（P31） 运动速度 v 越大，热源前方的温度下降就越快，当 v 极大时，热量传播几乎 只沿横截面进行。 往往，快速移动大功率热源工艺参数 q 和 v 成比例增加，以保证单位长度焊 缝上的热输入 qw=q/v 为常熟。 （焊接时间减少，因此具有重要的实际意义。 ） 此时，加热区的长度于速度成比例增加，其宽度趋近于一个极限值。当移动 速度极高时， 热传播主要在垂直于热源运动的方向上进行，在热源运动方向上传 热很少，可以忽略。 应用： 作用于半无限体上的快速移动大功率热源——线热源——二维传播 作用于无限大板上的快速移动大功率热源——带状热源——一维传播 17. 高斯热源作用于厚板上的温度场表达式。 分析其与线热源和面热源的关系？ （P27-P28、P31+自想） （1）瞬时高斯热源： 瞬时高斯热源在半无限体内的热传播过程是线性热传播过程表达式和平面 径向热传播过程表达式的乘积。
正确的做法是，利用 2-58 的固定连续点热源极限状态温度公式，计算 Tlim： q UI Tlim ( R, x)-T0 2 R 2 R 之后利用热饱和和热均匀来计算：
T 0 y
动量方程和连续性方程的边界条件： 在固体中和固液相界面上——速度与坐标相同
u u0 , v 0, w 0
在熔池表面上——粘力与表面张力
v z T u z T
T y T x
（3）体积力初始条件 体积力 X，Y，Z 包括电磁力和自然对流项
3
v v2 R, 3 t ，查下表获得热饱和函数 ( i , i ) ， 2a 4a
A 点造成 P 的温升： 先饱和后热均匀时， T (t ) T0 Tli [(t ) (t 10)] ，t=15s 时的温度； B 点造成 P 的温升：
只有热饱和过程， T (t ) T0 ( i , i )Tli ，计算 10s 的温度； 之后二者相加 TP TA TB 。 15. 移动点热源作用下，构件上哪点的温度与热源移动速度无关？（P22-P23） 条件：有不变功率为 q 的连续作用点热源沿半无限体表面匀速直线移动，热源 移动速度为 v。忽略起始阶段与收尾阶段，并认为在准稳态温度场。我们考虑极 限状态 t∞，以等速度沿半无限体表面运动的、不变功率的点热源的热传导过 程极限状态方程 q Rx T ( R, x) exp( v) 2 R 2a q 当 x=-R(热源后方)， T 该点与运动速度 v 无关。 2 R 16. 快速移动热源作用下的温度场有何特征，为什么？（P31） 运动速度 v 越大，热源前方的温度下降就越快，当 v 极大时，热量传播几乎 只沿横截面进行。 往往，快速移动大功率热源工艺参数 q 和 v 成比例增加，以保证单位长度焊 缝上的热输入 qw=q/v 为常熟。 （焊接时间减少，因此具有重要的实际意义。 ） 此时，加热区的长度于速度成比例增加，其宽度趋近于一个极限值。当移动 速度极高时， 热传播主要在垂直于热源运动的方向上进行，在热源运动方向上传 热很少，可以忽略。 应用： 作用于半无限体上的快速移动大功率热源——线热源——二维传播 作用于无限大板上的快速移动大功率热源——带状热源——一维传播 17. 高斯热源作用于厚板上的温度场表达式。 分析其与线热源和面热源的关系？ （P27-P28、P31+自想） （1）瞬时高斯热源： 瞬时高斯热源在半无限体内的热传播过程是线性热传播过程表达式和平面 径向热传播过程表达式的乘积。
《2024年基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》范文
《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。
基于数值模拟的钢结构平板对接焊残余应力参数研究
基于数值模拟的钢结构平板对接焊残余应力参数研究针对平板对接焊焊接时的热应力特征，采用高斯移动热源模式和通用有限元软件ANSYS进行了焊接温度场和应力场的耦合模拟分析。
分析中考虑了钢材热物理参数和力学参数随温度变化的非线性性能，得到了焊后残余应力的大小与分布规律。
建立了多组有限元数值模型，对比分析了焊接有效热功率、材料屈服强度、板厚和焊接速度对焊接残余应力的影响。
得到了焊接残余应力大小及分布规律与各焊接参数之间的关系。
Key words：flat plate of butt-welding; residual stress; numerical simulation; parameter study焊接已成为钢结构中最重要和最普遍的连接方式，但由于焊接过程中不均匀温度场使材料局部屈服，产生塑性变形，当温度恢复到初始均匀状态时，就会产生残余应力。
国内外研究表明焊接残余应力对于结构的静强度、疲劳强度、应力腐蚀等都有至关重要的影响[1，2]。
焊接残余应力大小和规律的评估具有重要的工程意义。
目前残余应力的测试手段很多[2]，并能达到一定的精度，但费时较长、经济耗费较大。
而随着有限元方法的不断完善和计算机运算能力的不断提高，数值模拟逐渐显示其优势，并能较准确的模拟焊接残余应力的形成过程[3]。
本文针对最常用的平板对接焊，采用ANSYS软件建立了多种不同焊接参数的三维有限元数值模型，采用间接耦合的方法对焊接温度场和应力场进行了数值模拟，对不同参数对残余应力大小和分布规律的影响进行了详细研究。
1.模型的建立1.1建模采用大型通用有限元软件ANSYS建立焊接结构的三维有限元模型进行弹塑性分析。
共设计了四组模型，分别用来确定焊接有效热功率，材料屈服强度，板厚、焊接速度对焊接残余应力的影响。
各组模型参数如表1-表4所示。
表1 不同焊接热功率有限元模型为减小计算量，考虑到对称性，建立半结构模型，如图1所示。
在焊缝附近，网格划分较小，在远离焊缝区域，单元可适当划大。
机械工程中的温度场与应力场分析
机械工程中的温度场与应力场分析机械工程是一门应用学科，研究机械结构的设计、制造和维护等方面的知识。
而在机械工程中，温度场与应力场分析是非常重要的一部分，它们直接影响着机械结构的性能和寿命。
本文将介绍机械工程中的温度场与应力场分析，探讨其原理、应用以及相关技术。
一、温度场分析1. 温度场的定义与意义温度场是指在空间中不同位置的温度分布情况。
在机械工程中，温度场对于材料的热胀冷缩、热变形以及热应力等方面的影响非常重要。
通过对温度场的分析，可以确定机械结构在不同温度条件下的性能，进而进行合理的设计和优化。
2. 温度场分析的方法温度场分析可以通过数学建模和计算机仿真两种方法进行。
数学建模方法包括一些传统的热传导方程求解技术，如分析法、二维和三维有限元法等。
计算机仿真方法则是通过建立数学模型，并运用计算机软件进行数值计算，得到温度场的分布情况。
3. 温度场分析的应用温度场分析在机械工程中有着广泛的应用。
例如，在锻造、焊接、铸造等工艺过程中，温度场分析可以帮助工程师确定材料的热历史，预测材料的变形情况，从而指导工艺参数的选择。
此外，在机械结构的设计中，温度场分析可以帮助工程师确定合理的材料选择、结构改进，提升机械结构的耐高温性能。
二、应力场分析1. 应力场的定义与意义应力场是指在机械结构内部不同位置的应力状态。
应力是材料内部的力学性质，对于机械结构的强度、刚度、耐久性等方面具有重要影响。
通过对应力场的分析，可以确定机械结构在工作载荷下的应力分布情况，进而进行合理的设计和优化。
2. 应力场分析的方法应力场分析可以通过数学建模和计算机仿真两种方法进行。
数学建模方法包括一些传统的力学方程求解技术，如静力学、弹性力学等。
计算机仿真方法则是通过建立数学模型，并运用计算机软件进行数值计算，得到应力场的分布情况。
3. 应力场分析的应用应力场分析在机械工程中具有广泛的应用。
例如，在机械结构的设计中，应力场分析可以帮助工程师确定机械结构的合理尺寸、形状和材料，确保机械结构在工作载荷下不会发生失效。
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
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 —
19春天大《工程材料及其成形技术基础》在线作业二
《工程材料及其成形技术基础》在线作业二
在设计铸件时，考虑铸件最小壁厚的原因是（）
A.收缩性
B.吸气性
C.氧化性
D.流动性
正确答案:D
铸造机器造型特点为（）
A.不用型砂和芯砂，生产率高
B.不用砂箱，对工人的技术要求高
C.砂与砂箱都用，铸型质量高
正确答案:C
要改变锻件内纤维组织的形状和方向，可采用的方法是(）
A.重结晶
B.再结晶
C.调质处理
D.锻造
正确答案:B
常用铸造方法中生产率最高的为（）
A.砂型铸造
B.熔模铸造
C.压力铸造
D.离心铸造
正确答案:C
造成铸件外廓尺寸减小的原因是（）
A.液态收缩
B.凝固收缩
C.糊状收缩
D.固态收缩
正确答案:D。
焊接温度场与应力场的研究历史与发展
科技信息２００８年第３期ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。
关于焊接热过程的分析，苏联科学院的助Ｒｙｋａｌｉｎ院士对焊接过程传热问题进行了系统的研究，建立了焊接传热学的理论基础。
为了求热传导微分方程的解，他把焊接热源简化为点、线、面三种形式的理想热源，且不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸对解的影响。
实际上焊接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能和变化而导致传热过程严重的非线性外，还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象，因此是非常复杂的。
由于这些假定不符合焊接的实际情况，因此所得到的解与实际测定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的区域，误差很大，而这里又恰恰是研究者最为关心的部位。
Ａｄａｍｅｓ、木原博和稻埂道夫等人根据热传导微分方程，以大量的实验为基础，积累了不同材料、不同厚度、不同焊接线能量以及不同预热温度等测量数据，然后从传热理论的有关规律出发，经过整理、归纳和验证，最后建立了不同情况下的焊接传热公式。
这种方法比前者采用数学解析法要准确，但实验的工作量很大，有确定的应用条件和范围，且可靠性取决于测试手段的精度。
１９６６年Ｗｉｌｓｏｎ和Ｎｉｃｋｅｌｌ首次把有限元法用于固体热传导的分析计算中。
７０年代，有限元法才逐渐在焊接温度场的分析计算中使用。
１９７５年，加拿大的Ｐｏｌｅｙ和Ｈｉｂｂｅｒｔ在发表的文章中，介绍了利用有限元法研究焊接温度场的工作，编制了可以分析非矩形截面以及常见的单层、双层Ｕ，Ｖ型坡口的焊接温度场计算程序，证实了有限元法研究焊接温度场的可行性。
之后国内外众多学者进行了这方面的研究工作。
Ｋｒｕｔｚ在１９７６年的博士论文中专门研究了利用焊接温度场预测接头强度问题，其中分析了非线性温度场，在二维分析模型中，假定电弧运动速度比材料热扩散率高，因此传到电弧前面的热量输出量相对比较小，从而忽略了在电弧运动方向的传热，这实际上与Ｒｙｋａｌｉｎ高速移动热源公式的处理方法是一致的。
焊接温度场和应力场的数值模拟
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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。
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例19 平板对接焊缝的温度场和应力场19.1问题描述有两块50⨯50⨯10mm 的钢板通过TIG 焊接焊接成一个平板，不开坡口，也不填丝。
焊接的电压是200V ，电流为20A ，焊接速率为2mm/s 。
请建立有限元模型进行计算。
(假如您需要实验的话，实验的板材和焊机都可以为您提供，若您不会焊接，提供大桥下农民工叔叔一位！)焊接示意图19.2主要步骤：1 平板的有限元网格划分2 材料模型3 焊接路径及焊料填充的定义4 边界条件5 工况定义6 作业定义 7结果分析19.3 平板的有限元网格划分以国际单位制kg/m/s 为基本单位建立有限元网格！ PTS: ADD 0 0 0 0.05 0 0 CRVS:ADD 1 2EXPAND: TRANSLATIONS 0 0.01 0 CURVES 1 #RETURN 形成一个0.05⨯0.01的面，此时平面几何已经建立；50mm 50mm10mm焊接中心线CONVERT: DIVISIONS15 5BIAS FACTORS:0.3 0.3 通过这个x，y方向的偏置系数，使得网格数密过渡。
GEOMETRY/MESH: SURFACES TO ELEMENTSALL: EXISTRETURN 二维面网格划分完毕，但需要扩展为三维体网格。
EXPANDTRANSLATIONS0 0 0.002 向Z方向扩展，每个网格的纵向尺寸为0.002m，扩展0.05mm/0.002m=25次ELEMENTALL:EXISTRETURNSWEEP: ALLRETURN 清除重复的节点或单元，同时对几何体也有作用。
RENUMBER: ALL 对节点和单元等进行重新排序，对计算速度有影响。
RETURNRETURN 从RENUMBER菜单可以看出有限元模型的大小。
PLOT: POINTS, CURVES,SURFACESELEMENTS:SETTINGSSOLIDRETURNREDRAW 关闭点、线、面的显示，显示单元实体，为了更好地对网格操作。
网格如下图。
FILLRESET VIEW上面对几何体划分网格，即现在已经存在了代表板材的有限元网格。
注意，几何体是不能用于有限元计算的，有限元计算是通过计算代表工件的有限元网格节点上的物理量，来获得工件任意位置的物理量，只要你的有限元网格划分的足够细密。
另外，由于平板的对接可以假设为关于某一个轴对称的情况，此处是关于X 轴对称，这样就只需要建立板材一半的网格模型。
19.3 施加材料性能 对代表板材的网格施加物理性能，这是必须的，试想没有物理性能怎么计算温度、应力等物理量？由于材料的物理性能：杨氏模量、屈服强度、热膨胀系数、热传导系数等等都是和温度等变量相关的，那么首先要定义这些物理性能和温度等变量的关系。
一般常常假设两者之间关系为多段线性的关系。
这个关系一般用表格来实现。
从操作简便的角度出发，先定义表格。
MATERIAL PROPERTIES: MATERIAL PROPERTIESTABLES 很多菜单中都有TABLES 这个菜单，不必非要在这里进入TABLES 菜单。
NEW: 1 INDEPENDENT V ARIABLE NAME: YOUNGERTYPE: temperature 这个表格的类型非常重要！表示物理性能和哪个变量相关！ ADD0 1 300 0.8 500 0.5 800 0.1 1000 0.001 3000 0.001 这段输入表示0摄氏度时，杨氏模量的比例系数为1，300摄氏度时，比例系数为0.8，500摄氏度时，比例系数为0.5。
，注意1000摄氏度~3000摄氏度时的材料性能是假定的，水平延伸。
注意，材料性能最小值不能直接设为0，10-3即可！温度的最大值尽量大一些，绝对不能小于熔池的可能最高温度！这个此处网格密，通过偏置系数设定。
X 轴变量错误很隐蔽！很容易犯！千万注意！FITY轴变量X轴变量依次定义屈服强度、热膨胀系数、热传导系数、比热等随温度变化的多段线性关系！NEW: 1 INDEPENDENT V ARIABLENAME: YIELDTYPE: temperatureADD0 1 300 0.85 500 0.7 800 0.1 1000 0.001 3000 0.001FITNEW: 1 INDEPENDENT V ARIABLE NAME: EXPANDTYPE: temperatureADD0 1 300 0.9 500 0.8 800 0.9 1000 1.3 3000 1.3FITNEW: 1 INDEPENDENT V ARIABLE NAME: THERMALTYPE: temperatureADD0 1 300 0.9 500 0.8 800 0.7 1000 2 3000 2FITNEW: 1 INDEPENDENT V ARIABLE NAME:SPECIFICTYPE: temperatureADD0 1 300 0.85 500 0.75 800 0.6 1000 3 3000 3FITISOTROPICYOUNGER’S MODULUS2.1E11TABLE:YOUNGER POISSON’S RATIO0.33MASS DENSITY7800PLASTICITY:ELASTIC-PLASTIC INITIAL YIELD2.5E8TABLE:YIELDRETURNTHERMAL EXP.1.2E-5TABLE: EXPANDRETURNRETURNHEAT TRANSFER CONDUCTIVITY40TABLE:THERMALRETURNSPECIFIC HEAT500TABLE:SPECIFICRETURNMASS DENSITY7800RETURNADD 定义完材料性能一定要施加到单元上！ALL: EXISTRETURNRETURN至此，材料性能定义完毕。
实际的材料性能=材料性能基值 TABLE。
所以材料性能的基值绝对不能为0，可以是非0的任意数！基值表格19.4 建立焊接路径MODELING TOOLSWELD PATHSNEWPATH INPUT METHOD 输入电弧路径的方法：节点法NODES:ADD2469 2471 # 起点是电弧的起点，终点是收弧点，这是有顺序的！收弧位置起弧位置ORIENTATION INPUT METHOD 电弧的导向方法：节点法NODES ADD416 #RETURNRETURN这样，焊接路径就设置好了，可以设置一条，多层多道焊接的时候需要设置多条！由于该题模拟的是平板对接焊补开坡口、无填充材料的情况，因此，无需建立焊接的WELD FILLERS。
第一条焊接路径19.5 边界条件19.5.1 首先加载焊接温度场的边界条件BOUNDARY CONDITIONSNEWTHERMALMOREVOLUME WELD FLUX 施加焊接热源为双椭球体热源FLUX 一定要激活该选项POWER 焊接能量Q=U⨯I4000EFFICIENCY 有效功率系数为η=0.7，则有效功率为Q1= η⨯Q 0.7DIMENSIONS: 热源尺寸系数输入WIDTH 热源宽度0.006DEPTH 热源深度0.005FORWARD LENGTH 热源前长0.003REAR LENGTH 热源后长0.015VELOCITY0.002WELD PATH: weld path1OKELEMENTS ADD:估计一下热源大概能包括几个单元范围，选择的单元范围略大于这个范围即可，也可以选择所有单元，但是显然，这样就增加了计算量。
例如下图，焊接电弧大概能够笼罩到红色区域，那么选择的焊接热源的施加范围就要略大于这个区域！不要忘了单击鼠标右键确定选择的区域！RETURNNEWFACE FILM 施加工件和外界环境的对流FILM: COEFFICIENT 工件和外界环境的对流系数是4040SINK TEMPERATURE 环境温度为20摄氏度20OKFACES: ADD用拖动鼠标选择整个外表面，注意是外表面，决不是ADD ALL :EXIST！！！用脚也能想明白，板材内部怎么可能和外界传热呢？那么中间那个对称面不是外表面，因此要去除这个面上的散热条件！FACE: REM鼠标拖动选择对称面，不要忘了确定！正确的散热边界条件如下图至此，温度场边界条件定义完毕！仅计算温度场的话，下面的力学边界条件就不用定义了！19.5.2 定义力学边界条件RETRUNRENEW 记得点击这个NEW，不要把前面的边界条件覆盖了！MECHANICALFIXED DISPLACEMENTDISPLACEMENT XOKNODES: ADD选择如下图对称面上的节点，表示对称面上的节点不能沿X方向动！NEWFIXED DISPLACEMENT DISPLACEMENT YOKNODES ADD选择红圈中的三个点，记得确定！NEWFIXED DISPLACEMENTDISPLACEMENT ZNODES ADD:选择红圈中的点。
RETRUNID BOUNDARY CONDS 检查一下你的边界条件是不是定义完全了？ID BOUNDARY CONDS 关闭边界条件显示RETURN19.6 定义LOADCASES19.6.1 定义焊接过程LOADCASESCOUPLEDQUASI-STATICLOADS 下图表明所有边界条件都起作用。
不想起作用？那就麻烦你关闭一下。
OK关闭3、4、5边界条件后的界面CONVERGENCE TESTING 计算收敛检查。
DISPLACEMENTS 位移检查准则，最为精确RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE0.1 一般默认值就可以了，值越小，计算越精确！反之则反。
建议不要超过0.2。
MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE30RETURNTOTAL LOADCASE TIME 定义焊缝的焊接时间。
焊道长度l的话，焊接速率为v的话，那么焊接时间是多少呢？25CONSTANT TIME STEP 定义常时间步长PARAMETERS#STEPS25OKOK19.6.2定义冷却过程NEWQUASI-STATICLOADSapply1 取消apply1，已经没有焊接的边界条件了！OK5000CONVERGENCE TESTING 计算收敛检查。
DISPLACEMENTS 位移检查准则，最为精确RELATIVE DISPLACEMENT TOLERANCE0.1MAX ERROR IN TEMPERATURE ESTIMATE30OKTOTAL LOADCASE TIME5000 5000s冷却到室温，这个数值只能大概估计，有经验就估计比较准确，可以多给一些时间冷却，但不能少给了。