平板对接温度场及应力-应变场模拟

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。

焊接顺序对角接接头残余应力和变形的影响刘利明发布时间：2021-10-27T06:56:34.038Z 来源：《建筑学研究前沿》2021年15期作者：刘利明周飞[导读] 焊接是连接材料的重要方法。

焊接过程中加热和冷却不均匀导致工件焊接变形，是影响零件质量的最重要因素之一。

长期以来，研究人员和学者在焊接变形计算、变形控制和试验方面做了大量的工作。

中核工程咨询有限公司广东省阳江市 529500摘要：焊接是连接材料的重要方法。

焊接过程中加热和冷却不均匀导致工件焊接变形，是影响零件质量的最重要因素之一。

长期以来，研究人员和学者在焊接变形计算、变形控制和试验方面做了大量的工作。

根据目前的研究现状，主要研究对接接头和丁字接头的焊接部分。

在实际加工制造中，角接头广泛应用于一些特殊的焊接结构，如箱体结构，典型的是传动箱。

这类构件在焊接时的连接方式主要是角接。

采用有效的焊接工艺优化方案，减少焊后变形和焊接残余应力，对提高零件的质量、寿命和精度具有现实意义。

因此，本文以角节点为例，利用有限元软件进行数值模拟，一方面可以弥补试验的固有不足，另一方面可以节约成本，提高工作效率。

通过模拟不同工艺产生的焊接变形和残余应力，总结出焊接顺序对角焊缝焊接残余应力和变形的影响，对以角焊缝为主的构件的实际焊接具有一定的指导意义。

关键词：角接接头；热固耦合；焊接顺序；残余应力；变形1角节点的数值模拟方法基于有限元分析软件ABAQUS，对平板角焊缝的温度场和应力应变场进行了模拟计算。

其中，建立准确的板角焊缝有限元模型是模拟板角焊缝焊接的关键。

首先对模型进行简化，然后在ABAQUS软件中定义材料属性，根据实体模型划分网格，选择合适的单元类型，求解温度场。

其次，根据温度场设置应力场分析步骤和合适的边界条件求解应力应变场。

1.1有限元模型首先在Creo中建立三维几何模型和母件几何模型，板厚16mm，焊接坡口角度40°。

然后利用Hypermesh软件对几何模型进行网格划分。

相似理论在焊接温度场和应力场及应变场中的应用
蔡志鹏;鹿安理;史清宇;赵海燕
【期刊名称】《焊接学报》
【年(卷),期】2000(021)003
【摘要】从焊接热效应为焊接残余应力和残余变形的根本原因出发,认为相似温度场是相似应力场及应变场的前提.利用因次分析法,忽略弹、塑性形变能及相变引起的能量变化,推导出焊接温度场相似应满足的条件.在此基础上,利用方程分析法导出应力场及应变场的对应关系.为了进行数值验证,还推导出为满足相似温度场高斯热源应具备的必要条件.为了表明所推导相似条件的可行性,本论文利用平板表面堆焊的数值模拟进行验证,得到较好的结果.
【总页数】4页(P79-82)
【作者】蔡志鹏;鹿安理;史清宇;赵海燕
【作者单位】清华大学,北京,100084;清华大学,北京,100084;清华大学,北
京,100084;清华大学,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TG404
【相关文献】
1.焊接温度场、应力场和应变场相似准则的推导及验证 [J], 蔡志鹏;赵海燕;鹿安理;蔡志雁
2.ANSYS在焊接温度场数值模拟中的应用 [J], 王新彦;高军芳;刘兵群
3.移动热载荷在焊接温度场数值模拟中的应用 [J], 刘波;姚河清
4.层状介质中膨胀圆台体震源模型的应力场,应变场及位移场计算 [J], 马钦忠;钱家栋
5.相似理论在中浓纸浆泵设计中的应用 [J], 胡庆喜;陈中豪
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《基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》篇一一、引言随着制造业和机械工程的不断发展，焊接作为连接各种金属材料的主要方法之一，其过程和结果的研究显得尤为重要。

焊接过程中，由于局部高温和材料相变，会产生复杂的温度场和应力分布。

这些因素对焊接接头的质量、强度和耐久性有着重要影响。

因此，对焊接温度场和应力的数值模拟研究具有重要的理论和实践意义。

本文将基于ANSYS软件，对焊接过程中的温度场和应力进行数值模拟研究。

二、焊接温度场的数值模拟研究1. 模型建立在ANSYS中，我们首先需要建立焊接过程的物理模型。

根据实际焊接条件和材料属性，设定合理的几何尺寸和材料参数。

同时，考虑到焊接过程中的热源分布、热传导和热对流等因素，我们采用适当的热源模型和边界条件。

2. 网格划分与求解在模型建立完成后，我们需要对模型进行网格划分。

网格的精细程度将直接影响模拟结果的准确性。

接着，我们设定求解器，根据热传导方程和边界条件进行求解。

通过求解，我们可以得到焊接过程中的温度场分布。

三、焊接应力的数值模拟研究1. 热弹性-塑性本构关系焊接过程中，由于温度的变化，材料将发生热膨胀和收缩。

这种热膨胀和收缩将导致应力的产生。

在ANSYS中，我们需要设定合理的热弹性-塑性本构关系，以描述材料的热膨胀和收缩行为。

2. 应力求解与分析根据热弹性-塑性本构关系和温度场分布，我们可以求解出焊接过程中的应力分布。

通过对应力结果进行分析，我们可以了解焊接接头的应力分布情况，从而评估焊接接头的质量和强度。

四、结果与讨论1. 温度场分布通过ANSYS模拟，我们可以得到焊接过程中的温度场分布。

温度场分布将直接影响焊接接头的质量和性能。

我们可以观察到，在焊接过程中，局部高温将导致材料发生相变和热膨胀。

同时，热对流和热传导将影响温度场的分布。

2. 应力分布在得到温度场分布的基础上，我们可以进一步求解出焊接过程中的应力分布。

应力分布将直接影响焊接接头的强度和耐久性。

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。

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 —

《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。

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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。

收稿日期:2015-01-06基金项目:国家自然科学基金(项目编号:51204111);航空科学基金(项目编号:2013Z E 54021,2014Z E 54021)作者简介:肖翰林(1990-),男,吉林白山人,硕士研究生,主要研究方向:焊接过程有限元仿真;E ⁃m a i l :f a i t h x h l @126.c o m ;姬书得,男,河北沧州人,副教授,主要研究方向:焊接工艺及机理;E ⁃m a i l :s u p e r j s d @163.c o m 。

航空宇航工程　文章编号:2095-1248(2015)04-0001-05搭接接头直线往返摆动焊温度及应力场的数值模拟肖翰林1,姬书得1,方喜风2,王　新2,高双胜1,王玉晓1(1.沈阳航空航天大学航空航天工程学部(院),沈阳110136;2.南车青岛四方机车车辆股份有限公司技术工程部,山东青岛266111)摘要:在焊接工程中采用直线往返摆动焊接,利用有限元软件S Y S WE L D 进行了MI G 焊接搭接接头的温度场与应力场的数值模拟。

结果表明,温度场与应力场的分布规律都与直线往返摆动的运丝方式有关,在摆动焊接过程中,焊缝的部分区域被周期性的二次加热,一次加热区的温度峰值(875℃)要低于二次加热区域的温度峰值(967℃),纵向残余应力在焊缝和热影响区主要表现为拉应力。

纵向残余拉应力在焊缝区域呈周期性的波动,且后焊区域的值高于先焊区域。

关键词:直线往返摆动焊;搭接接头;温度场;残余应力场中图分类号:T G 453 文献标志码:A d o i :10.3969/j .i s s n .2095-1248.2015.04.001N u m e r i c a l s i m u l a t i o no f t e m p e r a t u r e a n ds t r e s s f i e l do f l a pj o i n t d u r i n g t h e L R S W p r o c e s sX I A OH a n ⁃l i n 1,J I S h u ⁃d e 1,F A N GX i ⁃f e n g 2,WA N GX i n 2,G A OS h u a n g ⁃s h e n g 1,WA N GY u ⁃x i a o1(1.F a c u l t y o f A e r o s p a c e E n g i n e e r i n g ,S h e n y a n g A e r o s p a c e U n i v e r s i t y ,S h e n y a n g 110136,C h i n a ;2.T e c h n i c a l E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t ,C S RQ i n g d a o S i f a n g L o c o m o t i v e a n d R o l l i n g S t o c k C o .,L t d .,Q i n g d a o 266111,C h i n a )A b s t r a c t :L i n e a rr e c i p r o c a t i n gs w i n gw e l d i n g (L R S W ),w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ew e l d i n g p r o c e s s ,i s s i m u l a t e d b y t h e t e m p e r a t u r e f i e l d a n d s t r e s s f i e l d o f M I Gw e l d e d l a p j o i n t w i t h t h e f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e S Y S WE L D .T h e r e s u l t s o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s h o wt h a t t h e d i s t r i b u t i o n o f t e m p e r a t u r e f i e l da n d s t r e s s f i e l d i s r e l a t e d t ot h e w i r e ⁃f e e d i n g m o d e o f L R S W.T h e t w i c e h e a t i n g z o n e s p e r i o d i c a l l y a p p e a r a l o n g t h e w e l d i n t h e p r o c e s s o f L R S W a n d t h e p e a k t e m p e r a t u r e o f o n c e h e a t i n g z o n e (875℃)i s l o w e r t h a n t h a t o f t w i c e h e a t i n g z o n e (967℃).T h e t e n s i l e l o n g i t u d i n a l r e s i d u a l s t r e s s m a i n l y t u r n s u p i n t h e w e l d a n d h e a t ⁃i n ga f f e c t e d z o n e ,w h i l e t h e v a l u e a l o n g t h e w e l df l u c t u a t e s p e r i o d i c a l l y .T h e r e s i d u a l s t r e s s o f r e a r w e l d i n g r e g i o n i s h i g h e r t h a n t h a t o f p r i o r w e l d i n g r e g i o n .K e yw o r d s :l i n e a r r e c i p r o c a t i n g s w i n g w e l d i n g ;L a p j o i n t ;t e m p e r a t u r e f i e l d ;r e s i d u a l s t r e s s f i e l d 为了使一次焊接获得较宽的焊缝,减少焊道次数,在实际焊接中常常使用摆动焊接,这种焊接工艺可以大幅缩短焊接时间,提高生产效率,因此,此工艺在实际焊接中应用广泛,并且逐渐趋于成熟。

平板对接焊接残余应力和变形数值模拟及试验验证
刘维;丁文斌;孙昕辉;杨帆;张海;李惠
【期刊名称】《中国造船》
【年(卷),期】2010(051)A02
【摘要】利用有限元软件ANSYS对平板对接的焊接过程进行数值模拟，采用内部生热率作为焊接热源，在温度场和应力应变场计算中采用真正的生死单元技术，提拟结果与实验方法测得的变形结果进行对比，基本吻合，这为模拟有熔滴过渡的焊接过程的变形提供了有效的方法。

【总页数】6页(P60-65)
【作者】刘维;丁文斌;孙昕辉;杨帆;张海;李惠
【作者单位】^p^p
【正文语种】中文
【中图分类】TG457.19
【相关文献】
1.平板对接焊接变形的数值模拟 [J], 汪迎春;李萌盛;谭明明
2.电渣焊接头焊接残余应力与变形的数值模拟 [J], 孙加民;朱家勇;夏林印;邓德安
3.钢桥对接焊缝残余应力及变形场数值分析与试验验证 [J], 强斌;李亚东;顾颖;高荣辉
4.热处理对80MPa级钛合金对接焊平板残余应力影响的数值模拟 [J], 李良碧;沙宇程;万正权;李艳青;王新宇;包华宁
5.平板对接接头焊接变形的数值模拟与试验研究 [J], 张红涛;徐传波;孙思远;王秋实
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-1-平板对接温度场及应力-应变场模拟摘要：本文是通过使用计算机模拟技术，用ANSYS 软件模拟平板对接焊接工艺的温度场，并用间接求解的方法计算出焊接残余应力场。

作者对比了面部加载高斯热源和内部热生成这两种方法，总结两种热源的优缺点，并将两者结合起来作为一种复合热源。

复合热源的计算结果与传统的分析结果和理论相吻合。

关键词：计算机模拟；温度场；残余应力场；复合热源1 引言焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，由于高度集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲)，而这是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一，焊接变形的存在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。

焊接应力和变形不但可能引起热裂纹、冷裂纹、脆性断裂等工艺缺陷，而且在一定条件下将影响结构的承载能力，如强度，刚度和受压稳定性。

除此以外还将影响到结构的加工精度和尺寸稳定性。

因此，在设计和施工时充分考虑焊接应力和变形这一特点是十分重要的[1][2]。

随着大规模工业生产和高新技术的发展，焊接结构正朝着大型化、复杂化、高容量、高参数方向发展，其复杂程度越大，工作条件越苛刻，造成焊接事故也越频繁，危害性也越大，所以提高和保证焊接质量已经成为当前焊接中的关键问题。

焊接过程中局部集中的热输入，使焊件形成非常不均匀、不稳定温度场。

温度场不仅直接通过热应变，而且还间接通过显微组织变化引起相变应变决定焊接残余应力。

因此，温度场的分析是焊接应力和变形分析前提[3]。

本文就是利用大型通用的有限元软件ANSYS 对焊接温度场、应力场和变形进行了计算机的三维实时动态数值模拟，通过先计算焊接温度场，再把温度场结果作为应力和变形计算时的载荷，从而得到任何时刻、任何点的焊接应力、变形的具体计算数值，这无论是对焊接设计还是工艺都很有价值。

2 平板对接温度场模拟2.1 材料物理性能参数以及单元类型的选择由于是探讨性的模拟，所以模型假设为100mm×50mm×6mm，电弧中心沿Z 方向移动。

西 安 交 通 大 学 ．２ ０ ０ ３ ．
ｌ ａ ｙ ｅ ｒ ｗ ｅ ｌ ｄ － ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｒ ａ ｐ ｉ ｄ ｐ ｒ ｏ ｔ ｏ ｔ ｙ ｐ ｉ ｎ ｇ ［ Ｊ １ ． Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ ｍａ ｔ ｅ ｉ ｒ ａ ｌ ｓ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ －
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［ Ｄ］ ． 湖 北 武 汉 ：华 中科 技 大 学 ，２ ０ ０ ５ ． ［ １ ８ ］ 罗 勇 ．张
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ８ — １ ２
１ 有 限 元 模 型
试验母材选用 Ｑ ３ ４ ５钢 ，采 用 ｃ ｏ 气体保护焊 ，
ｃ ｏ ２ 气纯度为 ９ ９ ． ９ ９ ％ ，填 充 焊 丝 为 Ｈ ０ ８ Ｍｎ ２ Ｓ ｉ Ａ，焊
基金 项 目：湖南省科技计 划项 目 （ ２ ０ １ ０ Ｆ Ｊ ３ ｌ １ ８ ） ； 湖南省教育厅 科学研究项 目 （ ０ ９ Ｃ １ ０ １ ８ ）
分 布 规律 以及 通 过 改 变 焊 接 工 艺参 数 、优 化 焊 接 顺 序 等方 式 来控 制焊 接 残 余 应 力 和 变 形 具有 非 常重 要
的意 义 。 本 文 以平 板 对 接 焊 为 例 ，利 用 有 限元 分 析 软件 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ．数值 模 拟 了不 同焊 接 电流 下 的 焊 接 温
度 场 和应 力应 变场 ．并 归 纳 和 总 结 了 它们 的分 布 规 律 ．从 而为 实际 焊接 生产 提供 指导 。
焊 接 结 束 时 焊 接 构 件 必 将 产 生 一 定 的 残余 应 力 和 变

Electric Welding MachineVol.54 No.2Feb. 2024第 54 卷 第 2 期2024 年2 月SMA490BW 耐候钢焊接与焊后热处理残余应力的数值模拟户迎灿1， 王秋影1， 邱培现1， 许骏1， 廖子文21.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 2663112.西南交通大学 材料科学与工程学院， 四川 成都 610031摘　要：SMA490BW 耐候钢焊接过程中会产生较大的残余应力，常使用去应力退火的热处理方式消除残余应力。

建立了SMA490BW 耐候钢的焊接过程和焊后热处理过程中的有限元模型，对焊接以及焊后热处理的残余应力场进行了有限元模拟和验证。

通过引入材料的CREEP 本构模型，利用Norton-Bailey 指数方程模拟计算了焊后热处理时材料的蠕变行为，得到热处理对的焊接残余应力的影响。

研究结果表明：使用CREEP 本构模型，引入材料的蠕变行为可以较好地模拟焊接工件的焊后热处理过程中的应力应变变化，计算得到的残余应力值与实测值有较好的一致性。

这为工业上优化SMA490BW 耐候钢的焊接工艺、降低残余应力提供了理论支持。

关键词：SMA490BW 耐候钢； 热处理； 残余应力； 数值模拟中图分类号：TG441.8 文献标识码：A 文章编号：1001-2303（2024）02-0077-06Numerical Simulation Analysis of Residual Stress in SMA490BW Weldingand Post-Weld Heat TreatmentHU Yingcan 1, WANG Qiuying 1, QIU Peixian 1, XU Jun 1, LIAO Ziwen 21.CRRC Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266311, China2.Institute of welding, School of materials science and engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, ChinaAbstract: SMA490BW weathering steel is usually joined by welding. Residual stress will be generated during the welding process, which has a great impact on engineering application. In industry, annealing heat treatment is often used to reduce re ‐sidual stress. This paper establishes a finite element model of the welding process and post-weld heat treatment process of SMA490BW, the finite element simulation of the residual stress field of welding and post-weld heat treatment were carried out, and it was proven correct through test. By introducing the CREEP constitutive model of the material, the Norton-Bailey exponential equation is used to simulate the creep behavior of the material during post-weld heat treatment, and the effect of heat treatment on the welding residual stress is obtained. The research results show that: using the CREEP constitutive model, introducing the creep behavior of material can better simulate the stress and strain changes during the post-weld heat treatment of the welded workpiece, and the simulated residual stress values are in good agreement with the measured values.Keywords: SMA490BW weathering steel; heat treatment; residual stress; numerical simulation引用格式：户迎灿，王秋影，邱培现，等.SMA490BW 耐候钢焊接与焊后热处理残余应力的数值模拟［J ］.电焊机，2024，54（2）：77-82.Citation:HU Yingcan, WANG Qiuying, QIU Peixian, et al.Numerical Simulation Analysis of Residual Stress in SMA490BW Welding and Post -Weld Heat Treatment[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(2): 77-82.0 引言SMA490BW 耐候钢具有良好的韧塑性和较高的强度，并且在大气条件下有良好的耐腐蚀性能，被大量应用于我国高速轨道列车的转向架结构中［1］。

T型接头焊接温度场与应力场的数值模拟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，研究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。

本文采用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。

通过研究接头的材料特性、焊接参数和接头几何形状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首先，根据实际焊接接头的几何形状和尺寸，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考虑。

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，导致温度升高。

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。

根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情况。

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，温度场的分布不均匀，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移动，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，研究焊接过程中的应力场分布对于理解接头的力学行为和预测接头的寿命具有重要意义。

我们采用了热弹性力学理论来模拟焊接过程中的应力场。

根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情况。

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关系。

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。

出版社, 1982: 1～ 85 ·1167·
中国机械工程第 12 卷第 10 期 2001 年 10 月
文章编号: 1004- 132 (2001) 10- 1168- 05
提高故障诊断质量的几种方法
屈梁生 张海军
摘要: 故障诊断包括信号采集、信号分析、特征提取、诊断决策等环节。每 一环节对最终的诊断结果均有着重要影响。详细讨论了通过恰当的信号分析 方法与手段来提高诊断结果的准确性和可靠性, 提出了噪声压缩、信息集成 与融合、信息分解、特征趋势等几种提高诊断质量的有效途径。 关键词: 故障诊断; 信号处理; 诊断质量; 振动 中图分类号: TH 17 文献标识码: A
输入方式的描述。故有必要推导高斯热源的相似 条件。
由文献[ 3 ], 得距热源斑点中心为 r 的点热流 密度计算式为
q3 ( r) = qM3 exp (- K r2) 式中, q3 (r) 为热流密度分布; qM3 为加热斑点中心最大比 热流; K 为能量集中系数。
又有
·1166·
qM3 = (K Π) q
C q = C l, C v = 1 C l, C Α = 1 C 1, C t = (C l) 2
所以焊接条件下的相似准则为
qm q = lm l = ∆ vm v = 1 ∆
(1) Αm Α= 1 ∆ tm t = ∆2 式中, 下标 m 为模拟件的参数; ∆ 为模拟件与实物几何尺 寸的比例。
2. 2 高斯热源的相似条件 在数值模拟中, 作为热源边界条件, 需要有热
用 下 标 1、2 分 别 表 示 相 似 的 两 个 过 程, 应 有
Χ T
1
1q-1
1v
1 1
l21c11
1 1

文献标 识码 ：Ａ
１ Ｊ ● ｎ
文章 编号 ：１ ０ －９８ （ ０８ ０ －０３ －０ ００ ７７２０ ）７ ０８ ３
・ ・ ■－ ■ １ １ ・
Ｕｍ ｅ ｉ ａ ｉ ＵＩ ｌ ｎ Ｉ ｔ ｍ ｐｅ ａ ｕｒ ｌ ｒ ｃ ｌｓｍ ａｔ０ ０ ｅ ｒ ｔ ｅ ｎｅ ｎＳ ａｎｎ ｔ ｅ ｓ ｓｒ ｓ
ｐａ ａ — ｐ ｘ ｇ ｎ ｓ ｎ ｏ ｌ ｓ ｅｅｒ ｄ ｌｎ ｔ ｅ ｏ ｙ ｅ ｅ ｓ ｒａ ｅ ａ ｏ ｒｆ ｒ ． ｒ ｙ ｌ ｅ
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ｊｎ ｔｎｏ ｔｅｆ ｅｏ ａ ｎ ｅｌ ｉ ｄｐ ｒ Ｓｍ ｓ ｕｔ ｅａｖ ｅ ｎｔｅｐｅａａ ｏ ｎ ｓｅ ｌ ｏ ｅ ｕ ｃｏ ｆｈ ｅｄｍ ｐｒａ ｄｔ ｍ ｔ ａ ．ｏ ｅｉ ｔ ｃｉ ｄｉ ｓｏ ｒｐ ｔ ｎａｄａｓｍｂ ｆ ｉ ｒ ｔ ｈ ｉ ｅ ｔ ｎｒ ｖ ｃ ｈ ｒ ｉ ｅ ｔ ｈ
ｗｈｌ ｔ ｌｏ ｓ ｏ ｏ ｄ ｔｍｐ ｒ ｔｒ ｏ ｇ ｎ ｉ ｅ ｔ ｉｋ ｅ ｓ ｄｒ ｃ ｉｎ Ｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｔ ｓ ｐ ｅ ｓｎ ａ ｅ ｉ ｉ ａｓ ｈ ｗｓｇ ｏ ｅ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｈ ｍｏ ｅ ｅ ｔ ｉ ｔ ｃ ｎ ｓ ｉ ｔ ． ｈ ｘｍｕ ｓｒ ｓａ ｐ ａ ｅ ｒｔ ｙｎ ｈ ｈ ｅ ｏ ｅ ｒ ｈ
０ 引 言
拟研究 文献还很 少。Ｇ ｖｎｈｎ Ｄ Ｊ等人 通 过建 立二 维 ａａｇ ａ 的扩散方程 ， 究 了 电流压膜 Ｃａｋ式 氧传感 器 的扩 散过 研 ｌ ｒ
Hale Waihona Puke 随 着 全 球 对 汽 车 尾 气 排 放 问题 的 关 注 ， 以 减 少 和 控 用

《基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》篇一一、引言随着制造业和机械工程领域的不断发展，焊接技术已成为生产制造过程中重要的工艺手段。

在焊接过程中，温度场和应力的变化对焊接质量、产品性能及使用寿命具有重要影响。

因此，对焊接过程中的温度场和应力进行准确预测和控制，对于提高产品质量和优化生产过程具有重要意义。

本文基于ANSYS软件，对焊接过程中的温度场和应力进行数值模拟研究，旨在为实际生产过程中的焊接工艺优化提供理论依据。

二、焊接温度场的数值模拟1. 模型建立首先，根据实际焊接过程，建立三维有限元模型。

模型中应考虑焊缝、母材等关键部分的几何形状和材料属性。

同时，为提高计算效率，可对模型进行合理简化。

2. 材料属性及热源模型在模拟过程中，需要输入材料的热导率、比热容、热扩散率等热物理参数。

此外，选择合适的热源模型也是关键。

本文采用高斯热源模型，该模型能较好地描述焊接过程中的热输入分布。

3. 数值求解利用ANSYS软件的热分析模块，对焊接过程中的温度场进行数值求解。

通过设定合理的初始条件和边界条件，求解出焊接过程中的温度分布。

三、焊接应力的数值模拟1. 模型转换在得到温度场分布后，将热分析结果作为应力分析的初始条件。

将热分析模型转换为应力分析模型，并设定相应的材料属性。

2. 应力分析利用ANSYS的应力分析模块，对焊接过程中的应力进行数值模拟。

考虑焊缝收缩、母材约束等因素对应力的影响。

通过求解，得到焊接过程中的应力分布。

四、结果与讨论1. 温度场分析通过数值模拟，可以得到焊接过程中的温度场分布。

分析温度场的变化规律，可以了解焊接过程中的热输入、热传导及热扩散等情况。

同时，还可以预测焊接过程中的潜在问题，如热裂纹、热变形等。

2. 应力分析根据应力分布结果，可以了解焊接过程中产生的残余应力。

残余应力对产品的性能和使用寿命具有重要影响。

通过分析残余应力的分布和大小，可以为优化焊接工艺提供依据。

此外，还可以考虑采用相应的工艺措施，如焊后热处理、优化焊接顺序等，以降低残余应力。