焊接结构应力与变形仿真分析

动车组侧梁焊接残余应力及变形作用探析动车组转向架由驱动和制动装置、减震装置和定位装置四部分组成，转向架上几乎所有的部件都安装在构架上。

在高速运行的情况下，构架的整体具有较大的纵向加速度，侧梁同时还受到垂向载荷和横向载荷，比横梁承受的外部载荷更大，所处工作环境更恶劣，因此侧梁的质量对构架的质量起着至关重要的作用。

构架侧梁采用箱型焊接结构，其生产质量对构架的性能和安全性有重要的影响。

为提高构架的装配质量，需要在焊接生产过程中严格控制侧梁的焊接变形。

本文针对焊接量较大的构架侧梁的焊接过程，采用Hypermesh、Visual Mesh等建立了其焊接仿真的有限元网格模型。

基于SYSWELD平台，充分考虑焊接过程中热-机械-冶金耦合，基于热弹塑性理论，同时考虑计算效率问题，使用热循环曲线实现热加载，设计了内腔焊接的两种工装装卡方案，实现了不同工装情况下的焊接变形和残余应力计算，并对相应的结果进行了分析。

1 构架侧梁焊接仿真的技术路线1.1 有限元网格模型的建立有限元法是适应使用计算机技术而发展起来的一种有效的数值方法。

在焊接领域，有限元法已经广泛地用于焊接热传导、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的研究。

针对构架侧梁焊接过程的仿真，首先要对侧梁的几何模型进行离散化，将侧梁几何模型简化为由有限个单元组成的离散化模型，接着对离散化模型进行数值求解。

考虑到焊接过程中各种物理现象的复杂性以及侧梁结构的复杂性，在建立网格模型时必须考虑到计算效率问题。

由于焊接是局部加热的过程，焊缝和附近区域温度梯度较大，应力分布变化明显，所以对该区域的网格进行细分，采用较小的网格尺寸，兼顾到计算效率问题，远离焊缝区域采用较大的网格尺寸。

侧梁网格模型如图1所示，一共154257个8节点实体单元。

1.2 材料模型的建立材料热物理属性在焊接过程中呈现出非线性变化，其数值准确性对模拟结果的精度有很大的影响。

本仿真模拟考虑到的动态热物理性能参数有弹性形模量、比热容、屈服强度、热导率，如图2所示，真实应力-应变曲线如图3所示。

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1 前言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、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。

焊接过程中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。

由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。

因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。

传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。

ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。

文中以ANSYS为平台，阐述了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，为企业设计人员提供了一定的参考。

2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。

由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。

在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。

差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。

对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。

但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。

SolidWorks焊接模拟与分析的步骤与方法SolidWorks是一种广泛应用于机械设计和工程领域的三维建模软件。

其中一个重要的功能是焊接模拟与分析。

通过使用SolidWorks进行焊接模拟与分析，可以帮助工程师更好地了解焊接结构的强度、刚度和变形等方面的影响，从而优化设计并确保工程的可靠性。

在本篇文章中，我将详细介绍SolidWorks进行焊接模拟与分析的步骤与方法。

第一步是建立焊接模型。

在SolidWorks中，我们可以通过使用三维建模工具创建焊接模型。

首先，根据设计要求绘制焊接部件的外形轮廓。

然后，使用SolidWorks的体素工具将轮廓体素化。

接下来，使用焊接特征工具在模型中添加焊接接头。

我们可以选择不同类型的焊接接头，例如角焊接、对接焊接和角接焊等。

在添加焊接接头时，我们需要指定焊缝的尺寸和焊接参数，以便后续分析。

第二步是设置材料属性。

在进行焊接模拟与分析之前，我们需要为焊接模型设置材料属性。

SolidWorks提供了广泛的材料库，包括金属和非金属材料。

在选择材料时，我们应该根据实际情况选择与焊接材料相匹配的材料。

通过指定材料的弹性模量、泊松比和屈服强度等参数，我们可以更准确地预测焊接结构的性能。

第三步是应用边界条件。

在焊接模拟与分析中，我们需要定义边界条件来模拟焊接结构在实际工作环境中的受力情况。

边界条件包括固定约束、载荷约束和温度约束。

例如，我们可以将焊接模型的一侧固定住，以模拟焊接结构的支撑情况。

我们还可以施加力、压力或扭矩等载荷，以模拟焊接结构在工作过程中受到的力学载荷。

此外，我们还可以设置温度边界条件，以模拟焊接过程中的温度变化对焊接结构的影响。

第四步是进行焊接分析。

通过SolidWorks提供的焊接分析工具，我们可以对焊接结构进行静态分析、疲劳分析和变形分析等。

在静态分析中，我们可以评估焊接结构在静态荷载下的强度和刚度。

在疲劳分析中，我们可以预测焊接结构在循环荷载下的疲劳寿命。

机械变形与应力分析的仿真与验证在现代工程学中，机械变形与应力分析是非常重要的研究领域。

通过对材料的力学行为进行模拟与仿真，可以预测和评估结构在负载下的变形和应力分布。

这对设计和优化工程结构具有极大的意义。

本文将介绍机械变形与应力分析的仿真方法，并讨论如何进行验证，以确保模拟结果的准确性。

1. 引言机械变形与应力分析是力学和工程学的重要分支。

它的目的是通过数学模型和计算机仿真，了解材料受力后的变形和应力状态。

这对于预测结构的性能和安全性至关重要。

2. 仿真方法机械变形与应力分析的仿真方法有多种。

其中常用的包括有限元法（Finite Element Method，FEM）和计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）等。

有限元法能够将复杂的结构离散化成简单的子元，在每个子元上建立方程，并通过求解这些方程来得到结构的变形和应力分布。

CFD则主要用于流体力学问题的仿真，可以预测气体和液体在流动过程中的变形和应力状态。

3. 材料力学特性建模在进行机械变形与应力分析的仿真前，必须准确地建立材料的力学特性模型。

材料的弹性模量、屈服强度、断裂韧性等参数对于仿真结果的准确性至关重要。

通常使用实验数据来确定材料模型的参数，并进行合理的拟合和修正。

4. 仿真结果的验证进行仿真后，必须对结果进行验证来确认模拟的准确性。

这通常可以通过实验来实现。

将仿真模型制作成物理模型，在相同的负载条件下测量变形和应力，并将实验结果与仿真结果进行比较。

若两者相符合，则可以确认仿真结果的准确性。

5. 假设和边界条件在进行机械变形与应力分析的仿真时，必须要设置合理的假设和边界条件。

假设是为了简化问题，使得仿真计算得以进行。

而边界条件则决定了仿真模型所受的外部负载。

合理的假设和边界条件可以帮助得到更接近实际情况的仿真结果。

6. 仿真与优化设计机械变形与应力分析的仿真方法可以作为优化设计的有力工具。

通过对结构进行仿真，可以评估不同设计方案的性能，从而做出合理的选择。

世界有色金属 2021年 7月上10冶金冶炼M etallurgical smelting铝合金焊接件的结构应力与变形有限元分析王 亮（甘肃能源化工职业学院，甘肃　兰州　７３０２０７）摘 要：为了掌握铝合金焊接件在不同结构应力下的变形，开展了铝合金焊接件的结构应力与变形有限元分析研究，引进网格过渡法，构建有限元分析模型，采用差值计算的方式，选择集成的六面体单元作为有限元分析模型的边界结构。

并模拟铝合金焊接件的结构应力，分析铝合金焊接件最大等效力与结构应力的关系，以此为依据，计算不同结构应力下的变形位移结果。

同时，通过实例验证的方式，证明提出的有限元分析方法在不同结构应力下得出的变形位移结果是不同的。

关键词：铝合金焊接件；结构应力；变形；有限元分析中图分类号：ＴＧ４５４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－５０６５（２０２１）１３－００１０－２Finite element analysis of structural stress and deformation of aluminum alloy weldmentWANG Liang（Ｇａｎｓｕ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｌａｎｚｈｏｕ　７３０２０７，Ｃｈｉｎａ）Abstract: Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍａｓｔｅｒ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｗｅｌｄｍｅｎｔｓ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ，　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｗｅｌｄｍｅｎｔｓ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．　Ｔｈｅ　ｍｅｓｈ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ．　Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｈｅｘａｈｅｄｒａｌ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｉｓ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂｏｕｎｄａｒｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｏｄｅｌ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ．　Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｗｅｌｄｍｅｎｔ　ｉｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｗｅｌｄｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ．　Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｗａｙ　ｏｆ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ，　ｉｔ　ｉｓ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｒｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｓｓｅｓ．Keywords: ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　ｗｅｌｄｍｅｎｔ；　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｓｔｒｅｓｓ；　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ铝及铝合金材料在工业生产中具有优良的导电导热性能和较强的耐腐蚀性等优势，在我国工业市场内铝合金制品已实现了广泛应用。

热应力：在焊接过程中，焊件内部温度有差异引起的应力。

焊接应力的产生原因可分为:热应力、组织应力、收缩应力等几类。

焊接应力是产生热裂纹和冷裂纹（包括层状撕裂）的重要原因之一。

防止和消除焊接应力的措施：①焊前预热；②采取合理的焊序和方向；③较小的焊接线能量；④锤击或碾压焊缝；⑤采用反变形法焊接应力一、焊接残余应力的分类1．根据应力性质划分：拉应力、压应力2．根据引起应力的原因划分：热应力、组织应力、拘束应力3．根据应力作用方向划分：纵向应力、横向应力、厚度方向应力4．根据应力在焊接结构中的存在情况划分：单向应力、两向应力、三向应力5．根据内应力的发生和分布范围划分：第一类应力、第二类应力、第三类应力二、焊接残余应力的分布规律1．纵向应力бx的分布бx在焊件横截面上的分布规律为：焊缝及其附近区域为残余拉应力，一般可达材料的屈服强度，随着离焊缝距离的增加，拉应力急剧下降并转为压应力。

a)T形接头的бx分布与立板和水平板尺寸有很大关系，δ/h越小，接近于板边堆焊的情况；δ/h越大，接近于等宽板对接的情况。

2．横向应力бy的分布бy =бy′+бy″бy′：焊缝及其塑性变形区的纵向收缩引起的横向应力；бy″：焊缝及其塑性变形区的横向收缩不均匀、不同时引起的横向应力。

3．特殊情况下的焊接残余应力①厚板中的焊接残余应力②拘束状态下焊接残余应力③封闭焊缝中的残余应力④焊接梁柱中的残余应力⑤焊接管道中的残余应力三、焊接残余应力对焊接结构的影响1．对结构强度的影响只要材料具有足够的塑性，焊接残余应力的存在并不影响结构的静载强度。

对脆性材料制造的焊接结构，由于材料不能进行塑性变形，随着外力的增加，构件不可能产生应力均匀化，所以在加载过程中应力峰值不断增加。

当应力峰值达到材料的强度极限时，局部发生破坏，而最后导致构件整体破坏。

所以焊接残余应力对脆性材料的静载强度有较大的影响。

2．对构件加工尺寸精度的影响。

3．对梁柱结构稳定性的影响。

基于有限元法的建筑钢结构焊接应力与变形预测及控制研究3篇基于有限元法的建筑钢结构焊接应力与变形预测及控制研究1建筑钢结构是建筑工程常见的重要结构类型之一，由于其强度高、刚度好、耐久性能强等特点，被广泛应用于高层建筑、桥梁、地铁、石油化工等领域。

然而，在采用钢结构进行建设时，必须充分考虑结构的稳定性、可靠性和安全性，防止结构在使用过程中产生过大的应力和变形，导致结构失稳或出现安全事故。

因此，钢结构的应力与变形预测及控制是建筑工程设计与施工过程中必须重视的问题。

为了准确地预测建筑钢结构的应力与变形情况，有限元法是一种常用的数值计算方法，其主要基于计算机模拟与离散化数学方法，利用三维有限元模型对钢结构各个组成部分进行离散化，建立相应的数学模型，并通过数值计算方法，求解钢结构的应力和变形情况。

由于有限元法具有计算精度高、适用范围广、计算效率高等优点，因此在建筑钢结构的应力与变形预测与控制研究中得到了广泛应用。

在建筑钢结构的应力与变形预测与控制研究中，焊接是一个不可忽视的问题。

焊接是钢结构中常用的连接方式，在钢结构的设计和制造过程中起着至关重要的作用。

然而，焊接过程中也会产生应力和变形问题，特别是在较大规模的焊接过程中，焊缝会受到热应力和冷却应力的作用，导致整个结构产生变形和质量问题。

因此，建筑钢结构的焊接应力和变形预测和控制研究是非常重要的，在钢结构的设计和制造过程中需要特别注意。

基于有限元法的建筑钢结构焊接应力与变形预测及控制研究，主要通过建立钢结构的有限元模型，模拟焊接过程中的热应力、冷却应力以及外部荷载条件，对焊接结构的应力和变形情况进行预测和控制。

该方法可以通过计算机模拟和数值计算方法，准确地预测钢结构焊接后的应力和变形情况，并通过合理的控制方法，有效地避免焊接过程中的质量问题和安全事故，确保钢结构的整体稳定性和安全性。

在钢结构的应力与变形预测及控制过程中，应注意考虑结构的材料特性、几何形状、载荷情况等因素，采用科学合理的有限元模型和边界条件，对焊接部位进行精细化建模和分析，以提高焊接结构的预测精度和控制效果。

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。