焊接模拟有限元
焊板拉深成形有限元模拟研究
焊板拉深成形有限元模拟研究1.绪论1.1研究背景和意义1.2国内外研究现状1.3本文研究内容和意义2.焊板拉深成形的数值模拟2.1有限元模型建立2.2材料本构关系及参数确定2.3数值模拟方法2.4仿真结果分析3.焊接残余应力和变形分析3.1焊接模型的建立3.2数值模拟方法3.3仿真结果分析4.实验验证4.1实验设计4.2实验结果分析4.3数值模拟与实验结果对比分析5.总结与展望5.1研究工作总结5.2研究存在的问题和不足5.3未来研究方向第一章绪论1.1 研究背景和意义焊接作为一种常用的加工方法，在各种工业领域得到了广泛的应用。
焊接可以将不同材料或相同材料之间通过高温熔化并冷却的方式进行连接。
焊接的优点在于连接处强度高、接头紧凑、密封性好，缺点则在于焊接产生的残余应力和变形。
残余应力和变形将会严重影响焊接构件的使用寿命及性能。
为了提高焊接构件的可靠性和耐用性，需要对焊接工艺、残余应力和变形等进行深入研究。
近年来，众多学者和研究人员对焊接的残余应力和变形进行了探究，提出了许多有益的方法和理论，其中有限元方法在数值计算方面得到了广泛而深入的应用。
焊板拉深成形是一种常用的冷作成形方法，可以使焊件变形到一定的形状，这种成形方法可以补偿因热变形和残余应力引起的板材变形，同时具有高效、高质量的特点。
本文将以焊接残余应力和变形为研究重点，利用有限元方法对焊板拉深成形过程中的残余应力和变形进行了研究，为提高焊接制品的质量和性能提供了有效的理论和方法。
1.2 国内外研究现状目前，国内外学者对焊接残余应力和变形的研究已经非常深入。
在实验研究方面，有很多人采用类似散粉析晶、DIC测量和X 光扫描等方法来测定焊件的应变和残余应力。
这些方法虽然能够测定焊件在焊接过程中的应变，但是结果受到环境因素的影响较大，不够准确和可靠。
在数值模拟方面，有限元方法是目前应用最为广泛和有效的方法之一。
有限元分析能够模拟各种成形过程中的残余应力和变形。
有限元数值仿真 焊接
有限元数值仿真焊接有限元数值仿真是一种通过计算机数值模拟物理现象的方法，在工业生产过程中具有广泛应用。
在焊接工艺中，有限元数值仿真可以模拟焊接时的温度场、应力场、塑性应变等，从而预测焊接过程中可能出现的问题。
本文将介绍有限元数值仿真在焊接中的应用。
有限元数值仿真是一种基于数学模型的数值计算方法，用于模拟各种物理现象，包括结构力学、流体力学、热传导等。
该方法将连续体划分为有限数量的单元，在每个单元内建立数学模型进行计算，然后通过单元之间的边界条件关系，将所有单元的结果综合起来得到整体结果。
在焊接中，有限元数值仿真可以将焊接过程分为一系列的时间步骤，每个时间步骤内进行温度场、应力场、塑性应变等参数的计算，并通过不同的单元间的耦合关系完成最终的模拟，得到焊接过程中的温度场、应力场等参数。
1. 模拟焊接过程中的温度场有限元数值仿真可以模拟焊接过程中的温度场分布，对于评价焊接接头的质量和找出潜在的焊接问题非常有帮助。
通过数值仿真，可以预测焊缝的温度分布，从而避免出现焊接缺陷，如裂缝、变形等。
2. 分析焊接接头的应力场在焊接接头中，由于温度的变化，焊缝处可能存在应力集中，而应力集中部位可能会导致焊接接头的破坏。
有限元数值仿真可以模拟焊接接头的应力场分布，查找潜在的应力集中问题，并提供相应的解决方案。
3. 预测焊接接头的变形焊接过程中，由于热应力的影响，焊接接头可能会发生变形。
有限元数值仿真可以预测焊接接头的变形情况，并提供解决方案。
同时，这也可以作为指导焊接过程控制的重要依据。
焊接接头的塑性应变是评价焊接接头质量的一个重要指标。
有限元数值仿真可以模拟焊接接头的塑性应变，以评估接头的结构强度和稳定性。
三、有限元数值仿真的研究发展现状随着计算机技术的发展，有限元数值仿真在焊接领域已经取得了很大的进展。
目前，国内外多个研究机构都在进行有限元数值仿真技术的应用研究。
例如欧洲联盟已经成立了一支由11个成员组成的焊接数值分析小组，他们致力于推动有限元数值仿真技术的发展和应用。
建筑工程钢结构焊接过程模拟与焊接变形、焊接ansys应力有限元分析(详细图解分析)
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，从而在焊件内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内的应力，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内应力场。
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。
有限元焊缝建模标准
有限元焊缝建模标准
有限元焊缝建模的标准可以参考以下几个方面：
1. 材料模型：选择合适的材料模型，以准确描述焊缝材料的力学行为。
常用的材料模型有线弹性模型、弹塑性模型、本构模型等。
2. 几何模型：准确描述焊缝的几何形状，包括焊缝尺寸、形状和连接方式等。
可以使用CAD软件进行建模，将焊缝转化为有限元网格。
3. 网格划分：将焊缝几何模型划分为有限元网格，通常采用三角形或四边形网格划分方法。
网格划分应保证焊缝区域与周围结构接触良好，并保证网格质量。
4. 约束条件：根据实际情况设置适当的边界条件和约束条件，如定位约束、应力约束、位移约束等，以模拟焊接过程中可能存在的约束与限制。
5. 热源模型：根据实际热源的特点，选择适当的热源模型。
焊缝建模可以采用高斯热源模型、点热源模型等，以描述热输入的分布和变化。
6. 结果处理：根据实际需求，选择适当的结果处理方法，如应力、位移、温度等的分析和后处理。
可以使用专业有限元分析软件进行结果处理和分析。
需要注意的是，焊缝建模是一个复杂的过程，需要结合具体焊缝结构和分析目的进行模型选择和参数设定。
同时，建模过程中还应充分考虑焊缝材料的非线性行为、热效应等因素，以提高模拟结果的准确性和可靠性。
焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析
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。
焊接过程的有限元模拟
分 。基于 T型接头的埋弧焊工艺 ,采用高斯分布的 热源函数作为表面热源 ,焊件熔池部分采用双椭球 形热源分布函数作为内热源 。
高斯函数分布的热源 [ 3 ]
q ( r) = qm exp
-
3
r2 R2
(1)
式中 : qm为加热斑点中心最大热流密度 ; R 为电 弧有效加热半径 ; r为离电弧加热斑点中心的距离 。
理论研究
熊震宇 董 洁 谢雨田 蒋海侠 焊接过程的有限元模拟
67
2. 2 应力场模拟结果分析 焊接过程的动态温度场计算结束后 ,进入 AN2
SYS的前处理器 ,将热单元转换为相应的结构单元 ,
设定计算热应力所需参数值后 ,热应力分析模块将 自动完成整个焊接过程的动态热应力分布的计算 。
南昌航空大学学报
Journal of Nanchang Hangkong University 自然科学版 …………Natural Science
q ( r)
6 =π3
3f1 Q /2 abcf
ex
p
-3
x2
y2
z2 2
a2 + b2 + c2f
(2)
在后半部分椭球内热源分布为
q ( r)
6 =π3
理论研究
熊震宇 董 洁 谢雨田 蒋海侠 焊接过程的有限元模拟
65
热 ,将辐射换热的影响考虑到对流换热中 ; (4)忽略熔池内部的化学反应和搅拌 、对流等
现象 [ 7 ] 。 1. 4 焊接热源的处理与施加
由于加热电弧是移动的 ,对于移动的实现 ,利用 ANSYS的 APDL语言编写子程序 ,采用离散的思想 , 进行多步循环来实现具体思路如下 :沿焊接方向将焊 缝长度 L等分为 N 段 ,将各段的后点作为热源中心 , 在以电弧中心为圆心 ,半径小于电弧有效加热半径的 区域内加载热源 ,每段加载后进行计算 ,计算时间为 L /V ,每一段的计算为一载荷步 。当进行下一段加载 (即下一载荷步计算 )时 ,需消除上一段所加的热流密 度 ,而且上一次加载所计算得到的各点温度值作为下 一段加载的初始条件 。如此依次在各点加载即可模 拟热源的移动 ,实现移动焊接瞬态温度场的计算 。 2 T型接头焊接的数值模拟结果及分析
焊接结构的有限元模拟与优化
焊接结构的有限元模拟与优化引言焊接是一种重要的连接方法，在制造业中广泛应用于各种工程结构。
在焊接结构设计中，通过有限元模拟和优化方法可以提高焊接结构的性能和寿命。
有限元模拟是一种数值分析方法，可以对复杂的结构进行模拟，计算其应力、应变和变形等物理量。
在焊接结构分析中，有限元模拟可以用于预测焊接接头的强度、刚度和疲劳寿命，以及评估焊接工艺的优化效果。
有限元模拟方法有限元模拟是一种将复杂结构分割为有限数量的简单元素，并对每个元素进行数学建模的方法。
通过将复杂的结构划分为简单的网格点（节点）和直线段（单元），可以建立结构的几何形状和材料特性的数学模型。
然后，根据结构的边界条件和加载条件，在每个节点上求解应力和应变的方程。
最终，通过对所有节点的求解结果进行整合，可以获得整个结构的应力分布和变形情况。
常见的有限元模拟软件包包括ANSYS、ABAQUS和LS-DYNA等。
这些软件提供了广泛的建模和分析功能，可以应对不同类型的焊接结构。
在进行有限元模拟之前，需要对焊接结构进行几何建模、网格划分和边界条件设置。
然后，选择合适的材料模型和加载条件，进行数值计算。
最后，根据计算结果进行后处理，得出焊接结构的应力、应变和变形等结果。
焊接结构的优化方法焊接结构的优化可以分为拓扑优化、形状优化和参数优化三个方面。
拓扑优化是通过改变结构的连接方式和布局来优化其性能。
形状优化是通过改变结构的几何形状来优化其性能。
参数优化是通过改变结构的材料和尺寸等参数来优化其性能。
在焊接结构的拓扑优化中，可以通过增加连接件的数量、调整连接件的位置和改变连接件的形状等方式来改善焊接结构的性能。
在焊接结构的形状优化中，可以通过改变焊接接头的几何形状和尺寸来控制焊接过程中的应力分布和变形情况。
在焊接结构的参数优化中，可以通过选择合适的焊接材料和调整焊接参数等方式来提高焊接接头的强度和寿命。
焊接结构的有限元模拟与优化实例下面以一个简单的焊接结构为例，介绍焊接结构的有限元模拟和优化过程。
焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究
焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究1.引言焊接是一种常用的金属连接方法，在工业生产中应用广泛。
焊接材料的成型加工过程决定了焊接接头的质量和性能。
为了提高焊接接头的质量和效率，需要进行数值模拟和仿真分析，以预测焊接过程中的温度场、应力场、相变和变形等物理现象，并优化焊接参数和工艺。
本文将重点介绍焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析的研究方法及其应用。
2.数值模拟方法2.1 有限元方法有限元方法是一种常用的数值模拟方法，它将连续的物理领域离散化为有限数量的小单元，通过求解这些小单元上的方程组，得到整个物理领域的解。
在焊接材料成型加工过程中，可以将焊接区域划分为多个小单元，根据材料的热传导、应力-应变关系和相变规律，建立有限元模型，并求解温度场、应力场和相变变化等。
有限元方法可以对焊接过程中的多个物理现象进行耦合分析，提供详细的信息，对焊接过程进行准确的数值模拟。
2.2 计算流体力学方法计算流体力学方法是一种求解流体动力学方程的数值方法，可以用于模拟焊接过程中的流动和换热现象。
在焊接过程中，熔化金属的流动对焊接接头的形成和质量有重要影响。
计算流体力学方法可以建立焊接过程中的流动模型，模拟熔融金属的流动和焊接池的形成过程，从而预测焊接接头的形态和性能。
计算流体力学方法在焊接过程中的应用主要包括熔化金属的流动和焊接池的形成、焊接接头的形态和质量预测等方面。
2.3 相场模型相场模型是一种描述各相界面和相变过程的数学模型，适用于焊接材料成型过程中的相变和相界面追踪。
相场模型通过引入一个连续的相场函数，描述了相变系统中每种物质的存在程度，并与守恒方程和变分原理相结合，建立了相变系统的方程组。
在焊接材料成型加工过程中，相场模型可以用于预测焊接材料的熔化、凝固和晶体生长等相变过程，研究焊接接头的形态和组织演变。
3.仿真分析方法3.1 温度场分析温度场是焊接过程中的重要参数，直接影响焊接接头的组织和性能。
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l3 l 2
vj uj x
0 0
0 3
01
l2 l
2 1
l3 l 2
形函数矩阵为: u Nu u v Nv v Nu h(x)A11 Nv H(x)A21
i ui vi i T
j uj
vj j T
e
T i
T T j
第1节 等直杆单元分析续1
0 0 0 0
0 2(1 )
已知位移列阵 d u v w T
一、平衡方程 A F 0
微分算子列阵
x
0
0 y
0
z
A
0
y
0
x z
0
0
0
0
z
y x
二、几何方程 AT d 三、本构关系 D 四、协调方程 C 0
C 协调算子矩阵（略）
表面外法线方 l 0 0 m 0 n 向余弦矩阵 L 0 m 0 l n 0
实质: 对力学模型进行近似数值计算的方法 将无限自由度问题变成有限自由度问题
分析过程:结构离散化,确定位移模式,单元特性分析 整体分析,解方程,输出计算结果,其他处理
学习方法:与矩阵位移法对比—相同与不同之处 了解基本原理,各种方法的共性与实质 通过自编程序进一步熟悉原理
杆系结构
应用状况:标准通用软件SAP2000,ANSYS, 各种专用程序
d
u v
Hu
H
v
((xx))A
e
N e
Hu (x) 1 0 0 x 0 0, Hv (x) 0 1 x 0 x2 x3
2、用结点位移表示应变和应力
拉压应变，
o
弯曲应变
b
1 0 0 0 0 0
0
1
000
0
0 0 1 0 0 0
1
A
l
0
0
3 l2
01 l
2 0 l
0
3 l2
0
1
l
yz
z
1 E
[ z
( x
y )], zx
2(1 E
) zx
四、协调方程
二、几何方程
x
u x
,
xy
u y
v x
y
v y
,
yz
v z
w y
z
w , z
zx
w x
u z
五、边界条件(应力,位移)
应力
x xl xym yzn y yxl ym yzn z zxl zym zn
A1
1 1
0
l
A2
0 1
Hale Waihona Puke 1 l0 l20
l3
待定参数为:
0
1
2l
3l
2
a A1 1 u b A2 1 v
结点位移表示的位移模式为:
1
A11 1
l
u h(x)A11 u v H (x)A2 1 v
Mi i
i
ivi
ui
l
Ni
j
1 0
0 1 l
A2
1
0 3
l2
2
1 2
连续体
第2节 弹性力学基本方程
一、平衡方程 x xy xz X 0
x y z
yx y yz Y 0 x y z
zx zy z Z 0
三、本构关系 x y z
x
1 E
[
x
(
y
z )],
xy
2(1 E
)
xy
y
1 E
[
y
( z
x )],
yz
2(1 E
)
即：形变势能的变分表达式与虚变形功的表达式完全相同。
外力势能变分:
V (Xu Yv Zw)dxdydz (Xu Yv Zw)dS
S1
即：外力势能的变分表达式与外力虚功负值的表达式完全相同。
第2章 杆系结构有限元
第1节 等直杆单元分析
1、用结点位移表示单元的位移模式
位移列 阵 u ui uj T
S1
总虚变形功：
U ( xx y y zz yz yz zx zx xy xy)dxdydz
对于平面问题：
(Xu Yv)dxdy (Xu Yv)ds S1
( x x y y xy xy)dxdy
第4节 最小势能原理
最小势能原理
在几何可能的一切容许位移和形变中,真正的位移和形变使总势能取 最小值；反之,使总势能取最小值者也必是真正的位移和形变。
2 x y 2
2 y x2
2 xy xy
,
x
zx y
xy z
yz x
2
2 x yz
位移
2 y z 2
2 z y 2
2 yz yz
,
y
xy z
yz x
zx y
2
2 y zx
u u, v v, w w
2 z x2
2 y x2
2 zx zx
,
z
yz x
zx y
xy z
2 2 z xy
v vi i vj j T
y
Qi
Qj Mj j
j Nj
设位移模式 u a0 a1x, v b0 b1x b2 x2 b3x3
h(x) 1 x H (x) 1 x x2 x3
a a0 a1 T b b0 b1 b2 b3 T
由结点位移得 u A1a v A2 b
1 0 0 0
其中:
0
2 l3
1 l
0 2 l3
1 l 2
du
o b
dx
y
d 2v dx2
HyHu (vx()x)A
e
B e
Hu (x) 0 0 0 1 0 0, Hv(x) 0 0 0 0 2 6x
0 0 n 0 m l
五、应力边界条件 L 0 位移边界条件 d d 0
第3节 虚位移原理
虚位移原理
弹性体处于平衡状态的必要与充分条件：对于任意的、满足相容条 件的虚位移 ，外力所做的功等于弹性体所接受的总虚变形功。
W U
总外力虚功：
W (Xu Yv Zw)dxdydz (Xu Yv Zw)dS
总 势 能： U V
形变势能：U
1 2
( x x y y z z yz yz zx zx xy xy)dxdydz
外力势能：V (Xu Yv Zw)dxdydz (Xu Yv Zw)dS
S1
形变势能变分:
U ( xx y y zz yz yz zx zx xy xy)dxdydz
《有限元法》考核方式
1 有限元学习报告（打字） 2 一个有限元程序 （MATLAB语言编写） 3 口试
时间：第19周前全部完成 第20周 考试结束
第1章 有限元法绪论
第1节 概述 Clough--The finite element method
起源: 50年代飞机结构矩阵分析Argyris,Turner ,Clough 60年代弹性力学平面问题,目前已涉及众多领域
续第2节 弹性力学基本方程—矩阵表示
位移列阵 d u v w T
体积力列阵 F X Y Z T
应力列阵
x
y
z
xy
yz
T zx
应变列阵
x
y
z
xy
yz
T zx
表面力列阵 x y z T
1
1
对
称
a
D 1
1 E
0
0
1 0
2(1 )
0 0 0 0 2(1 )