焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究

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。

焊接过程的数值模拟与优化一、引言焊接是一种常用的工业加工方法，可用于连接和修复金属、塑料、玻璃等各种材料。

然而，由于焊接过程中涉及到高温、气体、化学反应等多种复杂因素，使得焊接工艺参数的选择与优化具有一定的难度。

因此，为了提高焊接效率和质量，数值模拟和优化技术近些年来得到了广泛的应用。

二、数值模拟技术数值模拟技术是利用计算机运算模拟实际物理过程的一种方法。

在焊接过程中，数值模拟技术主要用于预测温度场、扭矩场、应力场、位移场等物理参量，以便优化焊接工艺参数以达到最佳的焊接效果。

1. 焊接过程模拟在焊接过程模拟中，主要涉及到热传递方程、能量守恒方程、动量守恒方程等基本模型。

通过数值求解这些模型，可以得到焊接过程中的温度场、熔池形状、焊缝形状等重要的参量。

2. 焊接残余应力模拟焊接残余应力是指焊接后焊件内部残留的应力状态。

焊接残余应力模拟主要涉及到材料本构关系、应力平衡方程等模型。

通过数值求解这些模型，可以得到焊接后的残余应力分布，进一步判断焊接件的稳定性和持久性等。

三、优化技术对于焊接加工过程而言，焊接质量和性能的优化是关键。

因此，针对焊接工艺参数进行优化是必不可少的。

1. 优化算法在焊接优化过程中，优化算法的选择对结果影响非常大。

常见的优化算法包括模拟退火、遗传算法、粒子群算法等。

这些算法可以根据不同的目标函数进行参数优化，以获得最优的焊接参数设置。

2. 优化目标焊接优化的目标参数有很多，通常包括焊接强度、裂纹敏感性、金属熔池尺寸、焊接速度、温度均匀性等方面。

这些目标量可以通过实验或数值模拟得到，然后通过优化算法进行校准。

四、实例以氩弧焊为例，通过焊接数值模拟和优化技术，得出最佳的焊接参数设置。

1. 模型建立在ANSYS软件中，建立了氩弧焊的热传递和流体模型，计算焊接过程中的热传递和气体流动。

2. 优化参数通过实验和数值模拟，优化了电流、电压、焊接速度和气体流量等参数，以获得最佳的焊接效果。

3. 优化结果最终的优化结果表明，当电流设置为85A、电压设置为20V、焊接速度设置为3mm/s、氩气流量设置为10L/min时，可以获得最优的焊接结果，焊缝质量和机械性能都得到了明显的提升。

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。

焊接数值模拟研究现状摘要：随着计算机软硬件技术的快速发展,使得研究复杂焊接结构的焊接过程成为可能，为我们研究单层网壳结构中箱型截面焊接节点制创造了条件。

本文主要介绍焊接数值模拟概念及方法，热源模型研究现状、焊接数值模在残余应力方面的研究现状。

关键词：焊接，数值模拟，残余应力引言：焊接数值模拟是随着社会进步和计算机发展而兴起的一种模拟分析方法。

该法可以弥补实验研究方法试验场地难、实验经费高以及理论分析很难应用于复杂模型的问题，缩短了试验周期和计算的繁琐，有限元数值模拟可以较好的模拟节点在不同边界条件、不同荷载、不同材料性能等情况下的受力性能，通过有限元应力和应变结果的分析，可以对节点的受力有一个较好的了解和把握，对于受力的薄弱区可以采取相应的措施，而且条件的改变和模型的建立在有限元软件中都可以实现。

1.焊接数值模拟概念及方法焊接数值模拟就是通过建立适当的数学模型，对其施加初始条件和边界条件，求解相应的微分方程组来解决焊接热过程、应力和变形等问题，并将分析得到的结果通过计算机直观地表达出来，设计人员可以通过模拟焊接过程对焊件进行检验，并对工件结构形式以及焊接工艺参数进行优化[1]。

焊接数值模拟常用的方法有三种：差分法、有限元法和边界元法[2]。

差分法顾名思义就是运用简单的差商对函数进行计算。

目前，能进行焊接模拟的主要软件有：ANSYS、ABAQUS、MARC、Simufact.welding、SYSWELD、JWRIAN等。

2.焊接数值模拟热源模型研究现状实际焊接过程中熔池受到保护气体及焊接电弧的冲击等多种因素的复杂影响，熔池内的瞬态热流密度和温度分布难以通过试验准确获得[3]，因此国内外学者根据熔池轮廓特点建立了相应的简化模型。

热源模型的准确性通常采用熔池轮廓匹配原则进行评估，即对比模拟熔池横截面与实际焊缝横截面，两者越接近表示建立的热源模型及参数越接近实际焊接热流分布。

由于焊接工艺及参数直接影响了焊缝横截面的形状和尺寸，因此国内外研究学者针对不同的焊接工艺及参数开发了一系列热源模型，使得模拟熔池横截面能与实际焊缝横截面相匹配。

焊接过程温度场和应力场三维数值仿真技术史平安莫军材料加工过程虚拟与仿真一直是近年来材料加工领域的研究热点。

对于焊接过程而言，其物理现象本身非常复杂，是一个涉及高温电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程，因此在建立精确的物理模型方面存在着较大的难度。

由于焊接过程温度梯度很大，在空间域内大的温度梯度导致严重的材料非线性，产生求解过程中的收敛困难和解的不稳定性；在时间域内大的温度梯度决定了瞬态分析时离散程度上的加大，直接导致求解时间步的增加。

由于上述原因，焊接过程数值模拟的研究长期以来一直停留在二维水平上。

近年来，随着计算机技术的发展，焊接过程三维数值模拟成为该领域的重要研究课题。

由于焊接过程的复杂性，焊接过程的三维数值模拟仍停留在基础性研究阶段，且大多是以典型接头作为研究对象，远未达到应用于实际结构的水平。

影响加工过程三维数值模拟在实际生产中应用的主要因素可概括为三点：(1) 焊接结构三维模型自由度数目庞大；(2) 严重的材料非线性导致求解过程收敛困难；(3) 高温区的存在使得数值模拟的精度和稳定性难以保证。

这些因素的存在直接导致计算时间的增多。

针对上述问题，为了减少计算时间和三维模型的自由度数目，本文选择了适当的数学模型和物理模型。

在区域W中，有力学平衡方程和应力应变间的本构方程以及热过程控制方程为了真实反映焊接过程中不同时刻的温度场和应力场，焊接热源按表面移动热流处理，热源内的能量按高斯函数分布。

在焊接电流、电压和热效率分别为I、U和h时，取电弧中心处最大比热流为q m=KhUI/2p，距电弧中心处的比热流为q R =q m exp(-KR2)。

图1布布根据上述方法计算单元点上的热流强度，再在单元内部按分段线性计算表面的热流，热源移动通过自定义的子程序实现。

还采用了适用于焊接过程数值模拟的网格自适应技术：把焊接看作相对较小的非线性区域在大的弹性体上的运动。

非线性区域代表着电弧作用的区域，发生着较大的非线性变形行为，且存在很大的温度梯度，此区域采用加密网格描述；而结构远离非线性区域的部分在焊接过程中基本保持线性，温度变化范围也相对较小，此区域采用稀疏的网格描述。

电阻点焊过程数值模拟技术研究进展及应用摘要：数值模拟方法一直是研究和电阻点焊过程的有效方法。

详细介绍了电阻点焊过程数值模拟技术的研究现状和进展及其工业应用。

并指出了电阻点焊过程数值模拟及应用的发展方向。

1 引言电阻点焊以其生产效率高、焊接质量易保证、易实现自动化等优点而在汽车、航空及航天等工业领域获得了广泛的应用【1】。

然而电阻点焊又是一个高度非线性的电、热、力等变量作用的耦合过程，其中包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等，且电阻点焊熔核形成过程的不可见性和焊接过程的瞬时性给试验研究带来了很大困难，使人们对电阻点焊的过程机理一直缺乏比较深入的认识。

计算机技术和数值模拟技术的发展为电阻点焊研究提供了有效的理论分析手段，国内外的学者一直在尝试利用数值模拟的方法来研究点焊过程，已相继建立了许多数值模型，并取得了很多突破。

2 点焊过程数值模拟分析方法的演化过程【2】数值模拟技术应用于电阻点焊源自20 世纪60 年代，研究者们依据描述力、热、电过程的基本方程并对方程中参数变化和边界条件进行简化和假设，建立了点焊过程的数学模型，进而用数值模拟的方法对点焊过程温度场、电流场、电势和应力、应变场进行求解，用以研究点焊过程机理。

其分析方法从有限差分发展到有限元，模型从一维发展到三维，从单场分析发展到多物理场耦合分析，考虑的因素越来越多并且越来越接近实际。

学者Chang 【3】对此有过详细的总结。

总的来说，点焊数值模拟分析方法的演化大致可以分为以下4个阶段。

（1）有限差分法【3】。

有限差分法在早期对碳钢电阻点焊电热分析中应用得非常多。

其优点是计算简单，收敛性好，但是有限差分法无法求解力学问题。

因此，焊接过程中的力效应和热电效应的相互作用无法通过有限差分法来表征和求解。

（2）有限单元法【3】。

1984 年，学者Nied 【4】首次采用有限单元法来模拟电阻点焊过程中的预压阶段和通电阶段，他指出忽视预压阶段接触半径的变化是产生后续误差的根源，并通过计算获得了预压阶段电极和工件（E ／W）及工件之间（W／W）的实际接触面积，并以此计算结果来进行热、电耦合分析。

大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用共3篇大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用1大型结构焊接变形数值模拟的研究与应用随着现代工业技术的不断发展，大型结构在各个领域中的应用越来越广泛。

例如船舶、桥梁、石油钻井平台、飞机、汽车、建筑等。

作为这些大型结构的连接方式，焊接技术的应用也越来越多。

然而，在焊接过程中，由于热引起的材料膨胀以及焊接受热区域结构变形等问题，往往会对焊接质量和结构强度产生不良影响。

因此，研究大型结构焊接变形数值模拟成为了一个重要课题。

大型结构焊接变形数值模拟的研究，一方面需要建立物理模型，另一方面需要进行数值计算，并对计算结果进行验证。

对于物理模型来说，模拟焊接过程中的温度场、应力场以及变形情况是关键。

考虑到热处理与材料本身的特性，采用有限元方法进行数值计算通常是最为合适的。

在数值计算时需要考虑各种因素对焊接变形的影响，如焊接参数、板厚、焊接材料、初始残余应力等，同时要选用适当的求解器和网格划分策略，以确保计算精度和计算效率的平衡。

该技术的应用不仅可以为大型结构的设计优化提供参考，而且对于大型结构的制造无缝连接以及提高焊接质量、延长结构的使用寿命也具有重要的意义。

较为实际的应用包括设计焊接修补方案、评估焊接连接的质量、研究焊接工艺的最优化以及研发新型焊接材料等。

此外，该技术还可以与其他先进技术相结合，如激光成形、加热与冷却、外加电磁场等，以进一步提高焊接质量，减少焊接变形，这对重要工程项目具有重大的意义。

需要指出的是，使用大型结构焊接变形数值模拟技术时，一定要结合实际，同时保证模拟的准确性和客观性。

因为模拟结果可能受到材料本身特性以及模型精度、模型假设等因素的影响，因此需要进行实验验证并根据实验结果对模拟结果进行修正。

此外，在实际工程应用中，预测焊接变形后也需要通过相应的工艺进行调整。

总之，大型结构焊接变形数值模拟的研究及应用一方面促进了现代工业技术的进步，另一方面也为制造及应用大型结构提供了可靠的技术支持。