本文摘要：1前言焊作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域仍然占据最重要地位。

1前言焊作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域仍然占据最重要地位。焊是一个牵涉到到电弧物理、热传导、冶金和力学等各学科的简单过程，其牵涉到到的热传导过程、金属的融化和凝结、加热时的热力学、焊形变和变形等是企业生产部门和设计人员关心的重点问题。焊过程中产生的焊形变和变形，不仅影响焊结构的生产过程，而且还影响焊结构的使用性能。这些缺失的产生主要是焊时不合理的热过程引发的。

由于高能量的集中于的瞬时热输出，在焊过程中和焊后将产生相当大的瓦解形变和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此对于焊温度场合应力场的定量分析、预测有最重要意义。传统的焊温度场和形变测试依赖设计人员的经验或基于统计资料基础的半经验公式，但此类方法具有显著的局限性，对于新工艺无法做前瞻性的预测，从而造成实验成本急遽减少，因此针对焊使用数值仿真的方式反映出有了极大优势。ANSYS作为世界著名的标准化结构分析软件，获取了原始的分析功能，完善的材料本构关系，为焊建模获取了技术确保。

文中以ANSYS为平台，阐释了焊温度场建模和热变形、形变建模的基本理论和建模流程，为企业设计人员获取了一定的参照。2焊数值仿真理论基础焊问题中的温度场和形变变形等最后可以归结解法微分方程组，对于该类方程解法的方式一般来说为两大类：解析法和数值法。由于只有在做到了大量修改假设，并且问题较为简单的情况下，才有可能用解析法获得方程解，因此对于焊问题的仿真一般来说使用数值方法。

在焊分析中，常用的数值方法还包括：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切换为差分方程来展开解法。

对于规则的几何特性和均匀分布的材料特性问题，编程非常简单，收敛性好。但该方法往往仅有局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑到节点的起到，而不考虑到节点间单元的贡献，经常用来展开焊热传导、氢蔓延等问题的研究。有限元法：有限元法是将倒数体转化成为由受限个单元构成的线性化模型，通过偏移函数对线性模型解法数值解法。

该方法灵活性强劲，适用范围甚广，因此普遍地应用于焊热传导、焊热弹塑性形变、变形和焊结构的脱落分析等领域。数值积分法：该方法使用辛普生法则等方式对很难求出原函数的问题展开分数解法，通过该方法防止了解法简单的原函数问题，同时用于较较少的点才可取得较高的精度。蒙特卡洛法：该方法基于随机仿真技术，对随机过程的问题展开原封不动的数值仿真。

焊仿真一般来说基于以上几种理论对焊热传导、热弹塑性形变等问题展开仿真，而合理的自由选择热源函数和计算出来焊接后形变等问题则必须设计人员自由选择适合的数学模型。2.1焊数值仿真常用热源模型焊热过程是影响焊质量和生产率的主要因素之一，因此焊热过程的精确仿真，是精确展开焊形变变形分析的前提。早期对于焊热过程的解析，前人做到了大量的理论研究工作，明确提出了多种热源产于模型：集中于热源：Rosenthai-Rykalin公式该方法作为典型的解析方法，指出热源集中于一点，此方式仅有对于研究区域靠近热源时更为限于，同时此方法无法叙述热源的产于规律，对于成形区和热影响区影响较小。平面产于热源：高斯分布热源、双椭圆产于热源高斯分布热源高斯热源产于假设焊热源具备平面产于的特点，在短距离焊时，效果较好，焊速度较高时，热源仍然平面产于，误差较小。

此方法适合于电弧挺度较强及电弧对熔池冲击较小的情况。高斯分布虽然得出了热源产于，但没考虑到焊枪移动对热源产于的影响。实质上，由于焊缝冷却和加热的速度有所不同，因此电弧前方的冷却区域比后方的冷却区域小。

双椭圆产于热源体积产于热源：半椭球产于热源、双椭球产于热源半椭球产于热源对于熔融近于气体维护电弧焊或高能束流焊接，焊热源的热流密度不光起到在工件表面上，也沿工件厚度方向起到。此时，应当将焊热源作为体积产于热源。为了考虑到电弧热流沿工件厚度方向的产于，可以用椭球体模式来叙述实质上，由于电弧沿焊方向运动，电弧热流是不平面产于的。

由于焊速度的影响，电弧前方的冷却区域要比电弧后方的小；冷却区域不是关于电弧中心线平面的单个的半椭球体，而是双半椭球体，并且电弧前、后的半椭球体形状也不完全相同双椭球产于热源2.2焊变形仿真常用方法由焊产生的动态形变突发事件过程及其随后经常出现的瓦解形变和瓦解变形，是造成焊裂纹和连接器强度与性能上升的最重要因素，因此针对焊变形与瓦解形变的计算出来发展出有了以下几种理论：解析法：一维瓦解塑变解析法该方法以焊变形理论为基础，确认焊连接器膨胀的横向塑变与焊工艺参数、焊条件的关系，必须大量经验累积，此方法对规则等横截面的梁型结构，更为限于固有不应变法：固有突发事件可以看作是瓦解形变的产生源焊时的固有突发事件还包括还包括塑性突发事件、温度突发事件和热力学突发事件。焊构件经过一次焊热循环后，温度突发事件为零，固有突发事件就是塑性突发事件和热力学突发事件瓦解量之和。焊时，固有突发事件不存在于焊缝及其附近，因此理解固有突发事件的产于规律就能仅有用一次弹性有限元计算出来来预测瓦解形变大小及结构变形，但此方法某种程度侧重与焊接后结构的变形，归属于近似于方法，没考虑到整个焊热传导过程热弹塑性有限元法：记录焊热传导过程，叙述动态过程的形变和变形热弹塑性有限元法首先展开焊热过程分析，获得焊结构瞬态温度场，再行以此为结果，展开焊形变和变形计算出来。由于该计算出来为非线性计算出来过程，因此计算出来量大，一般用来研究焊连接器的力学不道德，而不用来展开大型简单结构的整体研究3焊建模案例3.1基于ANSYSWorkbench平台的焊建模针对如下部件使用激光焊接，以ANSYSWorkbench为平台，仿真该模型的温度场变化和应力场变化情况。

ANSYSWorkbench作为统一的多场耦合分析平台，反对数据协同，因此在Workbench中创建该焊分析的耦合项目，如下图右图。在本例中，仅有以解释焊建模流程为事例，因此材料假设为线弹性结构钢，在EngineerData中输出材料参数如下：ANSYSWorkbench以ANSYSMeshing为基础对模型展开网格区分，对于此模型中的两个焊接件和焊缝皆以六面体方式展开区分，除此之外，软件还获取了大量的sizefunction、局部掌控等功能，针对有所不同特征的几何模型展开高质量的网格区分。以Workbench平台以基础对焊过程展开瞬态热分析必须中用基于ANSYSWorkbench研发的Moving_Heat_Flux插件。

该插件映射在Workbench界面中，获取了以平面高斯热源法为基础的移动热源产于方式，在该插件中用户可以登录焊枪移动速度、焊电流、功率，焊时间等参数。除此之外，展开热传导过程分析，还必须输出瞬态热分析所需的其他边界条件如Convection等。此案例中输出的焊涉及参数如下右图：针对此类大规模建模问题，建议用于HPC高性能计算出来，可以充分发挥计算机硬件性能，大幅度提高解法效率。

最后针对该参数下的焊瞬态热分析结果如下：基于瞬态热分析之上，可以展开焊接后形变分析。通过前述创建的ANSYSWorkbench的耦合分析流程，通过importload方式将冷分析温度场传送给结构场展开形变分析。同时根据实际工况对该构件产生约束，展开形变分析，最后获得某一时刻形变云图如下右图：3.2基于ANSYS经典界面的焊建模如前所述，在以Workbench为平台展开焊建模时不存在诸多容许，例如无法自由选择其他形式的热源模型，因此用户可以基于ANSYS经典版展开焊建模。基于ANSYS经典版展开焊建模时，可以以命令东流的方式展开，将焊参数以参数方式读取，对于优化焊分析，十分便利。

本例中，焊温度场仿真使用焊板尺寸为200mmX200mmX6mm，试件材料为Q235A，材料参数如下表格右图。为确保焊透，两块钢板进45°坡口。焊方式使用电弧焊，焊参数为：焊电流180A，电弧电压20V，焊速度4.8mm/s，焊热输出0.75kJ/mm，焊效率η=0.825，结构与空气的换热系数为15W/(m^2*℃)。在ANSYS经典版中创建该构件的几何模型，使用solid70，创建好的模型如下图右图：通过MP命令创建原始的材料参数表，如下图右图：通过esize等命令，对该模型展开局部网格掌控，分解六面体网格，并超过较高的网格质量。

有限元模型如下：本例中某种程度使用高斯热源方式展开仿真，涉及焊工艺以参数方式传达，为后期优化获取基础，典型的命令流如下：对该模型底部产生相同约束，根据APDL中原作的解法参数展开递归计算出来，递归曲线如图所示：经过解法计算出来后可以获得该焊接件的温度场产于云图，如下图明确提出的某时刻温度场产于云图：4总结通过以上讲解，以ANSYS软件为基础可以便利的展开焊过程的温度场和应力场建模，目前在Workbench中仅有反对以插件的形式展开焊建模，并且不能考虑到平面高斯热源的热源产于方式，如须要考虑到其他方式的热源方式，必须以ANSYS经典版为基础展开APDL编程，除此之外，用户还可以使用轮回单元的方式展开焊建模，必须留意的是，轮回单元的方式即通过掌控单元轮回的方式来仿真焊缝填满过程，使用该方式可以仿真更为简单的热输出情况，由于热源产于与轮回单元是两种有所不同的计算出来方式，因此无法变换用于。ANSYS软件通过原始的材料本构关系、解法能力，为焊建模获取了强有力的技术确保，因此设计人员可以以此展开焊建模，为电流、电压等焊工艺参数的设置获取参照依据，从而合理优化焊工艺。

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