基于ANSYS软件焊接温度场应力场模拟研究

基于ANSYS模拟不同参数对Q235钢板焊接残余应力的影响焊接是一种常见的金属连接技术，但是在焊接过程中会产生残余应力，这种应力可能会导致构件变形、裂纹和失效，因此研究焊接残余应力对结构性能的影响是非常重要的。

在本文中，我们将使用ANSYS软件模拟Q235钢板焊接过程中的残余应力，并分析不同参数对残余应力的影响，以了解如何减少残余应力并提高结构的性能。

首先，我们将对Q235钢板进行建模，并设置焊接工艺参数，如焊接电流、焊接速度和焊接温度。

接下来，我们将利用ANSYS的焊接模块对焊接过程进行模拟，并得到焊接残余应力的分布。

然后，我们将分析不同参数对残余应力的影响，以找出最佳的焊接参数。

研究结果表明，在焊接电流较高或焊接速度较快时，残余应力会增加。

这是因为高电流和快速焊接会导致焊缝区域温度升高，从而增加热应力和冷却速度，进而影响焊接残余应力的大小。

相反，适当降低焊接电流和焊接速度可以减少残余应力，并提高焊接接头的质量。

另外，焊接温度对残余应力也有很大影响。

当焊接温度较高时，焊接残余应力也会增加。

因此，控制焊接温度是减少残余应力的关键之一除了焊接工艺参数外，焊接材料的选择也会对残余应力产生影响。

不合适的焊接材料可能会导致不匹配的热膨胀系数，从而增加焊接残余应力。

因此，在焊接过程中选择合适的焊接材料是非常重要的。

综上所述，通过模拟不同参数对Q235钢板焊接残余应力的影响，我们可以优化焊接工艺参数，选择合适的焊接材料，以减少残余应力并提高焊接接头的质量。

这对于提高结构的稳定性和可靠性具有重要意义，同时也为实际工程应用提供了参考依据。

ANSYS计算温度场及应力场在ANSYS中计算温度场需要考虑的因素有很多，比如热源、热传导、边界条件等。

首先，我们需要在ANSYS中建立一个三维模型，包括几何形状、材料属性和初始条件。

然后，我们可以选择合适的求解器，比如热传导方程求解器，来解决温度场的传导问题。

在建立模型时，需要给定材料的热导率和密度等属性，这些参数可以通过实验测量或者文献资料获得。

对于复杂的几何形状，可以使用ANSYS 的建模工具，比如CAD软件，将实际的几何形状导入到ANSYS中。

然后，我们需要给定边界条件，比如边界上的温度和热通量。

这些条件可以通过实验测量或者根据实际情况进行估计。

在设置好模型后，我们可以选择求解器来解决温度场的传导问题。

ANSYS提供了多种求解器，包括有限元法、有限差分法和有限体积法等。

这些方法可以根据不同的情况选择合适的求解器，并通过迭代计算来获得温度场的分布。

在计算完温度场后，我们可以使用ANSYS的后处理工具来分析和可视化结果。

例如，可以绘制温度云图、温度剖面和温度梯度图，以展示温度场的分布情况。

此外，还可以计算温度场的平均值、最大值和最小值等统计量，以评估系统的性能和安全性。

另外，ANSYS还可以用于计算应力场。

在计算应力场时，需要考虑的因素包括材料的应变-应力关系、加载条件和几何形状等。

首先，我们需要在ANSYS中建立一个三维模型，包括几何形状、材料属性和初始条件。

然后，选择合适的求解器，比如有限元法求解器，来解决应力场的静力学问题。

在建立模型时，需要给定材料的弹性模量、泊松比和密度等属性。

这些参数可以通过实验测量或者文献资料获得。

对于复杂的几何形状，可以使用ANSYS的建模工具，比如CAD软件，将实际的几何形状导入到ANSYS 中。

然后，我们需要给定加载条件，比如施加在模型上的力和边界约束。

这些条件可以根据实际情况进行估计。

在设置好模型后，我们可以选择求解器来解决应力场的静力学问题。

ANSYS提供了多种求解器，包括有限元法、边界元法和模态分析等。

基于ANSYS的钢箱梁腹-底板焊接残余应力分析孙文耀摘要：采用ANSYS的生死单元技术和热-应力耦合方法，通过生热率加载，模拟构件的焊接温度场及焊接残余应力场。

研究表明焊接残余应力（von Mises应力）最大值接近Q345q钢屈服应力，沿焊缝方向残余应力值最大，且底板上表面在应力最大值位置发生塑性变形。

关键词：热-应力耦合；残余应力；钢箱梁；温度场1引言针对焊接部位的温度场及残余应力场问题，目前大多研究[1-5]针对较为简单的对接焊缝进行，部分学者[6, 7]对角焊缝进行了研究。

钢箱梁桥腹板与底板间角焊缝位置受较大拉应力使其更容易发生破坏，因此本文采用ANSYS软件研究此焊接构造。

2焊接温度场有限元模拟分析2.1 有限元模型建立模拟的焊接构件整体尺寸选取为120 mm×128 mm×125 mm（X向×Y向×Z向）。

根据某实际桥梁结构选取各板件尺寸：腹板厚度为6.4 mm，翼缘板厚度为25 mm，腹板与翼缘板夹角70.7°，采用7 mm角焊缝。

表1给出了其随温度变化的热物理参数[8]及力学参数[9]。

图1 距焊接起始点64 mm截面残余应力分布从图1（a）中的残余应力分布可以看出，上表面表现为拉应力最大，在两侧焊缝位置呈现“双峰”凸起，在中点附近下凹表现为压应力。

第二道焊缝处残余拉应力最大，达到208 MPa，约为第一道焊缝处的1.73倍。

在远离焊缝位置各路径上应力都在5 MPa以下。

在底板内部，腹板位置下方，表现出压应力，最大值超过-100 MPa。

从图1（b）中的残余应力分布可以看出腹板位置表现出较大压应力，最大值达到了-189 MPa。

从图1（c）可以看出，对比另两个方向的残余应力，平行焊缝方向的应力最大，最大值达到392 MPa，超过材料屈服应力。

图1（d）中von Mises残余应力分布与平行焊缝方向残余应力分布较接近，表明平行焊缝方向残余应力为焊接残余应力的主要方向。

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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。

本科毕业论文（设计）论文题目：基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析基于ANSYS的重轨淬火温度场和应力场仿真分析摘要本文以规格为50kgm的重轨为研究对象，通过综合考虑材料热物性参数随温度的非线性变化、热传导及高压气体冷却等动态边界条件，运用ANSYS软件，采用有限单元法，建立了淬火重轨的瞬态温度场和应力场的三维模型。

通过ANSYA软件仿真淬火重轨各个时间段的温度场。

根据重轨温度场的变化规律，选择合理的喷风压强，最终得到理想的索氏体组织。

在数值模拟计算的过程中，输入在不同的喷风压力下的对流换热系数，得到相应的温度场和应力场结果，并对结果进行了分析。

计算了强制冷却、空气自然对流等淬火过程的温度场和应力场分布情况，分析淬火时间对温度场和应力场的影响。

得到最佳的喷风冷却时压强，从而为实际生产制定合理的重轨淬火工艺提供了依据。

关键词：重轨，淬火，温度场，应力场，ANSYSSimulation of quenching temperature field and stress fieldfor the ANSYSAbstractThe specification of 50kgm— as investigated subject in this paper．In this model．the equivalent thermal capacity method was used to deal with the influence of latent temperature filed and the transformation stress which resulted from phase transformation was taken into account using the equivalent linear expansion coefficient method．The impact of material’s non-1inear parameter on temperature field was considered．The results show that the simulation result is identical with the measuring temperature．According to the distribution of temperature field，the timeof compressed air should be controlled．The ideal sorbite can be gained．During the process of calculating in numerical simulation，inputtedthe convective in such different operating modes．Get the best , cooling, natural air time and the result can be used to guide the quenching process design．Key words：Heavy rail，Quenching，Temperature field，Stress filed，ANSYS目录第一章绪论 (1)1.1课题研究意义 (1)1.2影响重轨淬火技术的主要因素 (2)1.3重轨淬火数值模拟的国内外研究现状 (3)1.4研究内容 (6)第二章重轨淬火温度场和应力场的理论基础 (6)2.1重轨淬火温度场理论基础 (6)2.1.1热传递方式 (6)2.1.2重轨淬火时定解条件 (7)2.1.3淬火时热传导初始条件 (8)2.1.4重轨淬火的边界条件 (8)2.2重轨淬火应力场理论基础 (10)2.2.1热弹性和热塑性问题 (10)2.2.2热弹塑性问题的求解 (11)2.3组织场求解理论基础 (13)第三章重轨温度场和应力场ANSYS仿真过程 (13)3.1用ANSYS模拟分析重轨温度场和应力场的方法 (13)3.2用ANSYS模拟分析重轨温度场和应力场的步骤 (13)3.2.1建立重轨的三维模型 (13)3.2.2确定重轨的各项材料参数及初始条件 (15)3.2.3ANSYS仿真重轨温度场和应力场的基本步骤 (15)第四章重轨淬火过程的温度场和应力场分析 (26)4.1研究不同压强下温度场和应力场的前提条件 (26)4.2不同压强下喷风温度场对比分析 (28)4.3不同压强下喷风应力场对比分析 (31)第五章全文总结 (34)5.1论文研究结论 (34)5.2论文研究的不足及展望 (34)致谢 (35)参考文献 (35)第一章绪论1.1课题研究意义淬火是机械零件生产加工过程中的关键环节之一, 它涉及到传热学、金属相变动力学、化学、力学等多种学科. 淬火过程是一个温度、应力、相变相互影响的高度非线性问题, 在理论上对温度场、组织场、应力场耦合求解几乎是不可能的。

基于ANSYS有限元对双丝焊焊接的三维温度场模拟杨秀芝;杨春杰;董春法;李继伍;周志全;熊一凡;江子健【摘要】焊接热过程是一个动态热循环过程,涉及到电弧变化、材料冶金和化学、传热、传质和力学性能改变的复杂过程,在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形,影响焊接结构的制造精度、强度、韧性和使用性能.焊接三维数值模拟研究的现实意义在于:全面预测影响残余应力与变形的各种因素及其影响规律,达到优化焊接结构设计和工艺设计,控制焊接应力及变形,焊接数值模拟技术已成为目前国内外发展的重要方向.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2016(046)007【总页数】7页(P22-27,32)【关键词】双丝焊;温度场;焊接模拟;程序设计【作者】杨秀芝;杨春杰;董春法;李继伍;周志全;熊一凡;江子健【作者单位】湖北理工学院,湖北黄石435003;华中科技大学,湖北武汉430070;湖北理工学院,湖北黄石435003;湖北理工学院,湖北黄石435003;湖北理工学院,湖北黄石435003;湖北理工学院,湖北黄石435003;湖北理工学院,湖北黄石435003;湖北理工学院,湖北黄石435003【正文语种】中文【中图分类】TG404焊接热过程是一个动态热循环过程，它涉及到电弧的物理、材料冶金和化学、传热、传质和力学性能改变的复杂过程，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响焊接结构的制造精度、强度、韧性和使用性能。

焊接三维数值模拟研究的现实意义在于：全面预测影响残余应力与变形的各种因素及其影响规律，达到优化焊接结构设计和工艺设计，控制焊接应力及变形。

焊接数值模拟技术已成为目前国内外发展的重要方向。

焊接过程中电源快速移动，产生极不均匀的焊接温度场导致母材发生塑性应变和显微相变，焊接热应力是产生焊接变形和开裂的根本原因，同时焊接热循环过程是材料发生复杂相变的热力学保证。

焊接温度、热应力、相变三者之间的耦合效应如图1所示。

基于ANSYS 的平板对焊的残余应力分析摘要：本文建立了薄板焊接有限元模型，采用高斯热源并利用ansys 软件对焊接过程做了模拟。

计算表明，焊接后的最大的残余应力分布在焊缝处，这为实际的焊接过程控制提供了一定的指导。

关键字：焊接，ansys ，模拟1、引言焊接结构一个很明显的特点是有较大的焊接应力和变形。

由于焊接生产中，绝大部分焊接方法都采用局部加热，所以不可避免地将产生焊接应力和变形。

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。

以往，对焊接温度场、应力和变形的分析都是通过实验的方法测量并采集数据，进行定量的分析。

由于受实验各方面的限制，所得数据的精确度并不高而且浪费大量的人力、物力和时间。

虽然这类问题可通过解析方法，求解某些特定的微分方程组来进行定量计算，然而，只有在十分简单的情况下并且作许多简化的假设，才有可能求得这些方程闭和的解析解。

而实际的焊接问题多种多样，边界条件十分复杂，用解析方法来求解这类微分方程是十分困难的。

在高速电子计算机发展的今天，大多采用数值模拟的方法。

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。

可见，对焊接应力和变形进行计算和分析有很重要的现实意义。

本文针对低碳钢薄板焊接时，应用高斯分布热源模型，建立了三维薄板堆焊的温度场有限元数值分析模型，并以此为基础考虑了材料的非线性采用热弹塑性有限单元法，得到了薄板的焊接过程的瞬态温度场、瞬态热应力和残余应力。

2、焊接模拟相关理论2.1 非线性热传导分析的基本原理焊接是一个局部快速加热到高温，并随后快速冷却的过程。

随着热源的移动，整个焊件的温度随时间和空间急剧变化，材料的热物理性能也随温度剧烈变化，同时还存在熔化和相变时的潜热现象。

因此，焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。

非线性瞬态热传导问题的控制方程为:Q zT z y T y x T x t T c +∂∂∂∂+∂∂∂∂+∂∂∂∂=∂∂)()()(λλλρ(1) 式中: c 为材料比热容;ρ为材料密度;λ为导热系数;T 为温度场分布函数; Q为内热源;t 为传热时间。

基于Ansys的Q235A焊接数值模拟
姚相林;周宏
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2022(44)13
【摘要】船体的结构安全与强度安全会因T型接头的残余应力产生隐患。

本文主要研究不同焊接顺序对T型接头残余应力的影响。

使用Ansys热力学分析软件对T型焊接的温度场与应力场进行数值模拟,利用生死单元技术模拟热源的移动和材料的填充过程。

比较温度云图在不同时间的变化及固定位置上节点的热循环曲线,再比较应力的分布云图与焊缝附近的应力曲线,最后分析不同焊接顺序试件变形的影响,为焊接工艺优化提供理论指导。

【总页数】5页(P85-89)
【作者】姚相林;周宏
【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U671.83
【相关文献】
1.基于ANSYS数值模拟高频焊接工艺优化及试验研究
2.基于ANSYS的钢板拼接焊接收缩量的数值模拟
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5.基于ANSYS的
Ti_(2)AlNb钛合金电子束焊接数值模拟
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基于ANSYS的钢拱桥的钢箱焊接残余应力数值模拟摘要：以钢箱角焊为例，利用ANSYS软件对焊接过程应力场进行了有限元模拟。

分析时采取了有效措施保证求解的准确性和收敛性，计算结果较合理。

关键词：焊接；有限元；ANSYS，应力场Simulation of Welding Residual Stress of Steel-box Arch Bridges Based on ANSYSSUN Fubin1 ,TANG Xiaoxi2(1，School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang，china ，110168 ；2，Zhongboxin Engineering Cost Ltd,Co Liaoning Shengyang China，110168）Abstract: Corner-steel welding and stress fields were simulated with ANSYS code.In analysis some effective measures were taken to ensure solution convergence and accurate result, the calculated result is results more reasonable.Key words:welding;finite element;ANSYS;stress field0 引言钢箱梁采用全焊结构，充分体现了焊接结构的优点，它不需要在钢材上打孔钻眼，既省工又不减损钢材截面，使材料可以充分利用；密封性好，结构刚度大等。

但同时它也带来了焊接造成的结构的初始缺陷。

焊接初始缺陷可分为2种：焊接残余应力和焊接残余变形。

这种焊接初始缺陷是评价结构强度的基础，因而格外受到人们的重视研究[1-2]。

从物理观点看，焊接残余应力和焊接变形两者紧密相关，但长期以来，对它们的研究和分析却是相互独立地进行的，并已有了很大程度的发展。

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的某焊件两焊缝在顺序焊接过程中分析(含命令流)目录一、前言 (3)二、基本方法 (3)三、条件 (3)四、物理性能表 (3)五、基本数据 (3)六、分析结果 (3)七、附录： (4)一、前言本文是对一焊件两个焊缝的凝固过程的温度场进行分析，焊缝及两钢板的材料为钢。

二、基本方法使用有限元分析方法并且使用ANSYS分析软件。

采用三维八节点热分析SOLID70单元，利用生死单元技术，对两个焊缝连续凝固的过程进行分析，本分析分6步进行，首先杀死一个焊缝的所有单元，进行稳态分析，得到温度的初始条件；进行瞬态分析，分析右焊缝的液固相变的转换过程；进行瞬态分析，分析右焊缝的凝固过程；激活焊缝的所有单元，进行短时间的瞬态分析，得到温度初始条件；进行瞬态分析，分析左焊缝的液固相变的转换过程；进行瞬态分析，分析左焊缝的凝固过程。

分析时，采用英制单位。

三、条件初始条件：焊接件的温度为70℉，焊缝的温度为3000℉。

对流边界条件：对流系数0.00005 Btu/(s·in2·℉)，空气温度70℉。

四、物理性能表五、基本数据底板尺寸：2in×1.2in×0.34in上板尺寸：1in×1.2in×0.34in焊角尺寸：R=0.17in六、分析结果根据以上的有限元模型，完成对焊件的稳态分析，焊缝相变分析，焊缝凝固分析后，得到温度分布图，见附录。

七、附录：分析模型：网格化分：温度分布图（2s）：温度分布图（1000s）：温度分布图（1100s）：焊接过程中温度随时间变化曲线图：命令流：FINISH/FILNAME,QMH/PREP7ET,1,SOLID70MP,KXX,1,.5e-3MP,C,1,.2MP,DENS,1,.2833MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000 MPDATA,ENTH,1,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 MP,KXX,2,.5e-3MP,C,2,.2MP,DENS,2,.2833MP,KXX,3,.5e-3MP,C,3,.2MP,DENS,3,.2833MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000 MPDATA,ENTH,3,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 BLOCK,-0.17,0.17,0,0.34,0,1.2BLOCK,0.17,0.34,0,0.34,0,1.2BLOCK,0.34,1,0,0.34,0,1.2BLOCK,-0.17,0.17,0.34,0.51,0,1.2 BLOCK,-0.17,0.17,0.51,1.34,0,1.2WPA VE,0.17,0.34,0CYLIND,0.17,0,0,1.2,0,90WPA VE,0,0,0CSYS,0FLST,3,3,6,ORDE,3FITEM,3,2FITEM,3,-3FITEM,3,6VSYMM,X,P51X,,,,0,0VGLUE,ALLVPLOT,ALLV ATT,1,1,1VSEL,S,,,1VSEL,A,,,12,17,1V ATT,2,1,1VSEL,S,,,11V ATT,3,1,1ALLSEL,ALLESIZE,0.05VSWEEP,ALLESEL,S,MA T,,3 TOFFST,460EKILL,ALL ALLSEL,ALL/SOLUANTYPE,TRANS TIMINT,OFFESEL,S,MA T,,1NSLED,ALL,TEMP,3000 NSEL,INVED,ALL,TEMP,70 TIME,1KBC,0ALLSEL,ALLSOLVEDDELE,ALL,TEMP TIMINT,ON TINTP,,,,1TIME,100DELTIME,1,0.5,10 AUTOTS,ONKBC,1OUTRES,ERASE OUTRES,ALL,ALL ASEL,S,EXTASEL,S,EXTASEL,U,LOC,Y,0 SFA,ALL,,CONV,5E-5,70 ALLSEL,ALLSOLVETIME,1000 DELTIME,50,10,100 AUTOTS,ONSOLVEEALIVE,ALL ALLSEL,ALLESEL,S,MA T,,3NSLED,ALL,TEMP,3000 TIME,1001 DELTIME,1,1,1 ALLSEL,ALLSOLVEDDELE,ALL,TEMPTIME,1100DELTIME,1,0.5,10SOLVETIME,2000DELTIME,100,10,200 SOLVE/POST1 SET,,,,,,,1PLNSOL,TEMP,,0 SET,,,,,,,25PLNSOL,TEMP,,0 SET,,,,,,,35PLNSOL,TEMP,,0SET,NEXTPLNSOL,TEMP,,0 SET,,,,,,,58PLNSOL,TEMP,,0 SET,,,,,,,64PLNSOL,TEMP,,0/POST26NSOL,2,4727,TEMP,,TEMP_2 STORE,MERGENSOL,3,4752,TEMP,,TEMP_3 STORE,MERGENSOL,4,4808,TEMP,,TEMP_4 STORE,MERGENSOL,5,4833,TEMP,,TEMP_5 STORE,MERGENSOL,6,4883,TEMP,,TEMP_6 STORE,MERGENSOL,7,4908,TEMP,,TEMP_7 STORE,MERGENSOL,8,5088,TEMP,,TEMP_8 STORE,MERGENSOL,9,5308,TEMP,,TEMP_9 STORE,MERGE/AXLAB,X,TIME/AXLAB,Y,TEMPERATURE /XRANGE,0,2000PLV AR,2,3,4,5,6,7,8,9/EXIT,NOSA V。

∙基于ANSYS焊接残余应力有限元分析技术研究∙以岭澳核电站控制棒驱动机构耐压壳Ω环焊接修复为例，应用ANSYS有限元生死单元技术模拟焊接流程，计算出焊接后残余应力的分布，绘制出残余应力分布曲线，并与美国WSI公司的计算结果进行对比分析。

结果表明，本课题的计算结果与美国焊接公司<WSI公司）一致。

因此，焊接残余应力有限元分析技术可以用于反应堆耐压壳焊接修复评价。

1 前言焊接在工业中的应用是不言而喻的，但同时焊接过程中产生的残余应力往往又会导致焊接失效。

因此，在工业中一般都要对残余应力进行消除，但这种消应力处理往往在实际结构或环境中难以实现，就必须进行破坏性分析。

随着我国核反应堆的建设及运行，核级设备及管道会出现较多的缺陷，有的缺陷必须进行打磨后焊接修复，同时要进行力学分析评价，此时，力学分析就必须考虑由焊接而产生的残余应力。

对于焊接后结构中的残余应力大小及分布，会因结构形式、焊接方式及材料特性的不同而不同。

某核电站控制棒驱动机构(CRDM >耐压壳上部Ω环连续两年都出现了泄漏，并在检修期间进行焊接修复。

焊接公司委托美国公司对修复后的结构进行了力学分析和评定。

焊接残余应力的有限元计算是关键技术之一，也是难点。

通过本课题的研究，掌握有限元模拟焊接过程及残余应力计算，能够提高我国焊接修复工程缺陷的分析能力，优化不符合项的处理程序，达到既节约时间和资金又满足工作性能和安全性能的目的。

因此，进行焊接残余应力有限元分析技术的研究是非常有必要的。

2 焊接实例本文以某核电站CRDM 耐压壳Ω焊接为研究对象，分析研究焊接后的残余应力分布。

CRDM 耐压壳包括上段是驱动杆行程套管和下段的密封壳。

驱动杆行程套管与密封壳采用螺纹连接，Ω焊接密封的结构进行连接和密封。

驱动杆行程套管的上端采用端塞，通过螺纹连接，Ω焊接密封的结构进行密封。

CRDM 耐压壳采用的这种密封结构形式是一种便于拆装的焊接密封结构，由于其内力的整体平衡主要由连接螺纹承担，Ω焊缝功能上主要起密封作用。

ANSYSMechanical在焊接仿真中的应用ANSYSMechanical在焊接仿真中的应用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。