基于热源数学模型的电子束焊接仿真
毕业论文使用ANSYS有限元分析软件对不锈钢与紫铜焊接过程温度场应力场分布模拟
Finally, the temperature and stress field indirect coupling method is used to simulate the welding stress field by applying the results of temperature field analysis as temperature loads on the model. After that, the results of stress field simulation are analyzed.
Based on the analysis of stress field anddeformationof welding partsafter welding,the strength anddeformation checkingof welding parts is conducted in this paper. Thechecking resultsare: the welding parts are qualifiedand theweldingisfeasible.
Then, the simulation and analysis of welding temperature field is completed by building a finite element model of welding, using APDL to make programs of heatsource, applying element birth and death technology to simulate the successive generating of welding seamsand adopting "* DO—*ENDDO" language to realize the movement of heat source;
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。
焊接热模拟技术
式中
T—热源在瞬时给焊接的热能 α—热扩散率 D—距点热源的距离，D=(x2+y2+z2)1/2
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2）若热源为线热源 即二维温度场
式中 d—距线热源的距离 d=（x2+y2）1/2
3） 若热源为面热源 即一维温度场
式中 F—截面面积 x—距热源的距离
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Rosonthal解析模式是以集中热源为基础的计算方法， 假定物性参数不变，不考虑相变与结晶潜热，对焊件几 何形状简单的归结为无限大、无限长、无限薄，计算结 果对远离熔合线的较低温度区（<500℃）较准确，但对 熔合区及热影响区误差很大，而这部分正是和焊接性能 相关的关键部位。
2 高斯函数分布的热源模式
电弧热源是通过加热斑点将热能 传递给焊件的，加热斑点上热量分布 不均匀，中心多而边缘少。
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距斑点中心任一点的热流密度：
式中
qm—加热斑点中心最大热流密度
R—电弧有效加热半径 r—距电弧加热斑点中心的距离
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3 半球状热源分布函数模型
该模型是针对电弧挺度大，对熔池冲击力大的 情况提出的，如高能束的激光焊、电子束焊。
4、蔡洪能等人建立了运动电弧 作用下表面双椭圆分布模型，并在此 基础上研制了三维瞬态非线性热传导 问题的有限元程序。
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焊接温度场的准确计算是焊接冶金分 析、焊接应力应变热弹塑性动态分析和焊 接工艺制定的前提。
焊接温度场：
焊件上某一点的瞬时温度分布
T=f（x，y，z，t）
式中
T—焊件上某点瞬时温度；
场的线性计算，其结果与试验相吻合； 2、上海交通大学陈楚等人对非 线性热传导问题进行了有限元分析， 建立焊接温度场计算模型，并编制 了相应的程序；
12mm厚钛合金平板电子束焊接的数值模拟
ｈ ｔ ｒ ，ａ ｐ ａ ｓ ｉ ｔ ｌｔ ｅ ｔｒ ｔ ｅ ｍ ａｅ ｉｌ ｐ ｅ ｒ ｅ ｐ ａｅ ｃ ｎ ｅ ．Ｍ ａ ｒ ｇ ａ ｈ ｆ ｔ ｅ ｆ ｓｏ ｏ ｅ ｉ ｈ ｒｎ ｖ ｒｅ ｓ ｃ ｏ ｂ ａｎ ｄ ｆｏ ａ ｎ ｈ ｃ ｏ ｒｐ ｏ ｕ ｉ ｎ ｚ ｎ ｔ ｅ ｔａ ｓ ｅ ｓ ｅ ｔ ｎ ｏ ｔ ｉ ｅ ｍ ｈ ｎ ｉ ｒ ｅ ｐ ｒ ｎ ｄ ｒ ｓｄ ａ ｔｅ ｓ ｓ ｄ ｔｒ ｎ ｄ ｂ ｏ ｅ ｄ ｉ ｉ ｇ ｍｅ ｏ ｅ Байду номын сангаас ｅ ｏ ｖ ｉ ａ ｅ ｔ ｅ ｓ ｘ ｅｉ ｍｅ ｔ ａ ｅ ｉ ｕ ｓｒ ｓ ｅ ｅｅ ｍｉ ｅ ｙ ｈ ｌ－ ｒｌ ｎ ｔ ｄ ａ ｓ ｄ ｔ ａ ｄ ｔ ｉ ｌｔ ｄ ｒ ｓ ｌ ．Ｔ ｅ ｎ ｌ ｌ ｈ ｒ ｌ ｈ ｍｕ ａｅ ｅ ｕ ｔ ｓ ｈ
维普资讯
第 ｌ 卷第 ｌ ７ Ｏ期
、ｏ ＿７Ｎｏ １ ｒｌ ．０ １
中国有色金属 学报
Ｔ ｅ Ｃｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ￣ ｏ ｎ ｅ Ｆ Ｕ ｅ ａ ｓ ｈ ｉ ｅ ｅＪ ｕ ｎ ｆ Ｎｏ ｆ Ｆ Ｏ ＳＭ ｔ ｌ
２０ 年 ｌ ０７ Ｏ月
ｓ ｅ ｉ ｃｈ ａ ｄｈ ａ ｏ ｄ ｃｉｉ ． ｈ ｅｕｔ ｆ ｈ ｉ ｕａ ｏ ｈ ｗ ａ ｅｓ ａ ｅｏ ｈｅｗｅｄ ｐ ｏ ｓｔｐｃ ｌ ｖ ． ｐ ｃｆ ｅｔａ ｅ ｔ ｎ ｕ ｔ ｔ Ｔ ｅｒｓ ｌ ｏ ｔｅｓ ｌｔ ｎ ｓ ｏ ｔ ｔ ｈ ｐ ｆｔ ｌ ｏ ｌｉ ｙ ｉａ ｙ ｏ ａ ｉ ｎ ｃ ｖｙ ｓ ｍ ｉ ｈ ｔ ｈ ｌ １
数值计算模型 。模型采用 圆锥体热源考虑电子束焊接 时的小孔效应 ；材料的热学、力学性能参数随温 度变化；相 变和熔池 内液体的对 流散热通过 比热和热导率的变化实现 。计算结果表 明：钛合金 电子束焊接时 ，熔池呈典型 的 卵形分布。高值纵向残余拉应力集 中分布在焊缝 中心线两侧距焊缝 中心线 ４／／ ｎ ｎ的区域内，平板 内部 出现接近材 料屈服极限的局部三维残余拉应力状态 。实验得到 的焊缝宏观形貌和小孔释放 法检测 到的焊接残余应力对计算结 果进行验证，实验结果和计算结果吻合较好 ，证 明了有 限元模型的正确性 。 关键词：钛合金 ；电子束焊接 ；数值模拟 ；小孔法 ；残余应力 中图分 类号 ：Ｔ ４ ６３ Ｇ ５ ＿ 文献标识码 ：Ａ
钛合金T形接头电子束焊接残余应力数值模拟
啪黜 枷姗
摘要
袁 双喜 史 进朝
何景山
郝文龙
建立 了钛合金 Ｔ型接头电子束焊接温度场 和应力场的数值计算模型 ， 利用大型有 限元软 。模拟过程采用高斯面热源和椭球体热源叠加的组合型热 源模型。对 所得模拟结果 ， 分别分析了三向残余应力在不同方 向上 的分布 曲线 ， 分析认为 ， 向应力表现出较大的数值 ， 纵 最大值 可达 ７０ＭＰ 。 ５ ａ 通过 Ｘ射线衍射的方法测量 了焊接试件的横向残余应力 ， 并与数值模拟结果进行对 比， 结果 显示二者符合 良好 。
属填充量 的关系［ ］焊接 ，０ ７ ８ ： ５ ． Ｊ． ２０ （ ）５ ０— ２
［ ］ 朱 庆 菊 ． 箱 梁 斜 拉 桥 Ｕ形 加 劲 肋 焊接 ［ ］ 金 属 加 ］ （ ２ 钢 Ｊ． ： 热
加 ＿ ）２ ０ （０ ：２ ４ ． 丁 ．０ ８ １ ）４ — ５
（ ） 属芯药 芯焊 丝具有更 高 的熔敷 速 度 ， １金 良好 的 工艺性 能和抗裂 性能 ， 适合 于钢桥 ｕ肋 角焊 缝 的焊接 。 对于板厚 为 ８ｍ 的 ｕ肋 ， 焊缝 可一 道 焊接 成形 ， ｍ 其 各 项指标 均达 到设 计要求 ， 幅提高 了焊接生 产效率 。 大
４ 结 论
（ ）对 于保证 Ｕ肋 角焊 缝 良好 的成 形 质 量 ， 口 ３ 坡 间隙 的控 制至 关重 要 ， 当坡 口间 隙超 过 ０ ８ ｍ 时 ， ． ｍ 焊 接工艺 裕度 已很低 。
参
［］ 张 １
考
文
献
华 ， 先庆 ， 舒 黄新 明． 钢桥焊 接中＿ ［艺参数 与焊缝 金
焊 接 技 术 ．０ ０ ６ ：７— ０ ２０ （ ）４ ５ ．
焊接过程中的数值模拟与仿真技术
单击添加标题
跨学科合作与创新：焊接过 程的数值模拟与仿真技术需 要与多个学科领域进行合作 和创新。未来发展需要加强 跨学科合作，推动焊接技术
的进步和应用。
结论与展望
结论
焊接过程中的数值模拟与仿真技术对于提高焊接质量和效率具有重要意义
通过数值模拟与仿真技术可以预测和优化焊接过程，降低成本和减少废品 率 未来随着计算机技术和数值计算方法的不断发展，数值模拟与仿真技术将 更加精确和高效
仿真结果分析：通过仿真计算，可以得 到焊接过程中的温度场、应力场等关键 参数，为优化焊接工艺和提高焊接质量
提供依据。
数值模拟与仿真技 术在焊接中的挑战
与未来发展
数值模拟与仿真技术在焊接中的挑战
焊接过程的复杂性：焊接过程中涉及的材料、温度、应力等多种因素，使得数值模拟与仿 真技术面临诸多挑战。
建模与计算的准确性：焊接过程的数值模拟与仿真需要精确的模型和计算方法，以确保结 果的准确性和可靠性。
性、焊接工艺参数等。
应 用 实 例 展 示 ： 展 示 基 于 C OMS O L 的 焊 接过程仿真的实际应用案例，包括焊接
缺陷预测、焊接工艺优化等。
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C OMS O L 软 件 介 绍 ： C OMS O L 是 一 个 强大的多物理场仿真软件，支持电场、 力学、流体等多种物理场的耦合计算。
焊接过程中数值模 拟的原理与方法
焊接过程的物理模型
焊接过程的物理模型概述 焊接过程的物理模型建立 焊接过程的物理模型求解方法 焊接过程的物理模型应用案例
数值模拟的基本原理
有限元法的基本原理
有限差分法的基本原理
边界元法的基本原理
数值模拟的精度与稳定性 分析
焊接数值模拟PPT课件
进制造技术的重要组成
–与产品设计系统集成 –与零件加工制造系统集成
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焊接数值计算
2-1 热加工过程模拟的研究现状 部分商业软件
• 铸造
–PROCAST, SIMULOR
• 锻压
–DEFORM, AUTOFORGE, SUPERFORGE
• 焊接热效应，[德]D.拉达伊，机械工业出版社， 1997
16
焊接数值计算
2-1 热加工过程模拟的研究现状 热加工过程模拟的意义
• 材料热加工
–铸造：液态流动充型、凝固结晶等； –锻压：固态流动变形、相变、再结晶等； –焊接：熔池金属熔化、凝固结晶；热影响区金属经
历不同的热处理过程； –热处理：相变、再结晶等； –特点：复杂的物理、化学、冶金变化
• 通用
–MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS
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焊接数值计算
2-2温度场及传热的基本概念
• 温度场定义
–在 x、y、z直角坐标系中，连续介质各个地点在同 一时刻的温度分布，叫做温度场。
–T=f(x,y,z,t)
• 稳定温度场
–T= f(x,y,z)
• 不稳定温度场
–T=f(x,y,z,t)
焊接数值计算后的温度场后的温度场焊接过程中剧烈变化的温度场焊接数值计算焊接温度场应力和变形场及显微组织场的相互关系热力学温度场显微组织状态场应力导致相变相变应力焊接数值计算5种不同热源模型热源名称热源示意图热流密度分布定义式所需给定的初始参数旋转gauss面体热源模型r0热源开口半径r0双椭球体热源模型gauss面热源模型热源有效半径r0gauss圆柱热源模型热源有效半径r0热流密度均匀分布的柱状热源模型热源有效半径r0旋转gauss曲面体gauss圆柱实际焊缝截面焊接数值计算10焊接温度场的数值模拟焊接数值计算11焊接温度场的数值模拟焊接数值计算12焊接温度场的数值模拟焊接数值计算13教学目的了解热加工过程模拟的研究现状和发展趋势掌握实际热加工过程温度场数值模拟的基本步骤焊接数值计算14先修课程材料基础知识焊接数值计算15参考书目铸件凝固过程数值模拟陈海清等重庆大学出版社1991tg21c42焊接热过程数值分析武传松哈工大出版社1990tg402n74计算机在铸造中的应用程军机械工业出版社1993tg248c73计算传热学郭宽良中国科学技术大学出版社1988tk12443g91焊接热效应德d
焊接过程中的数值模拟与仿真技术
焊接过程中的数值模拟与仿真技术引言焊接是一种常见的金属加工方法，广泛应用于制造业领域。
然而，在焊接过程中，由于高温、高压和复杂的热力学环境，焊接工艺参数的选择和优化往往存在一定的挑战。
因此，借助数值模拟与仿真技术来模拟、预测和改善焊接过程已经成为焊接工程师的重要工具。
本文将介绍焊接过程中的数值模拟与仿真技术及其应用。
数值模拟与仿真技术的原理和方法数值模拟与仿真技术是利用数学方法和计算机技术对焊接过程进行模拟和预测的一种手段。
它基于物理学原理和数学方程，将焊接过程分解为多个离散的时间和空间步骤，并通过建立数学模型来描述焊接过程中的各种物理现象。
数值模拟与仿真技术的主要原理和方法包括：1. 热传导方程模型热传导方程模型是数值模拟与仿真技术中最基本的模型之一。
它基于热传导原理，通过建立热传导方程来描述焊接过程中热量的传递和分布。
该模型可以准确地预测焊接过程中的温度场分布和热应力分布，为焊接工艺参数的优化提供重要参考。
2. 流固耦合模型焊接过程中存在流体流动和固体熔化的复杂耦合现象。
为了更准确地模拟焊接过程，可以建立流固耦合模型。
该模型基于流体力学和固体力学原理，同时考虑熔化金属的流动和固体材料的变形。
通过该模型，可以分析焊接过程中的速度场、应力场和变形场等关键参数，为焊接过程的优化提供依据。
3. 相变模型焊接过程中熔化金属会发生相变，而相变过程对焊接接头的性能和质量具有重要影响。
为了准确预测焊接接头的相变行为，可以建立相变模型。
相变模型基于热力学和相变动力学原理，通过数学方程描述金属的熔化和凝固过程。
利用相变模型，可以研究焊接接头的晶体结构和应力分布，从而提高焊接接头的强度和可靠性。
4. 材料性能模型焊接过程中材料的热物理性质和机械性能会发生变化，对焊接接头的质量和性能产生重要影响。
为了更好地预测焊接接头的材料性能，可以建立材料性能模型。
材料性能模型基于材料力学和热学理论，通过数学方程描述材料在焊接过程中的变化规律。
焊接工艺中的数值模拟与仿真优化
焊接工艺中的数值模拟与仿真优化焊接是一种常见的金属连接方法，广泛应用于制造业的各个领域。
然而，传统的试错方法在焊接工艺的优化中存在一些困难和不足。
为了提高焊接工艺的效率和质量，数值模拟与仿真技术成为了焊接工艺优化的重要手段。
数值模拟是利用计算机模拟焊接过程中的热传导、相变、应力和变形等物理现象的方法。
通过建立数学模型和采用数值计算方法，可以预测焊接过程中的温度场、应力场和变形情况，从而为优化焊接工艺提供理论依据。
数值模拟不仅可以减少试验成本和时间，还可以提高焊接工艺的稳定性和可靠性。
在数值模拟中，材料的热物性参数是一个重要的输入参数。
通过实验和理论计算，可以获得材料的热导率、比热容和熔点等参数。
同时，焊接过程中的热源也需要进行建模。
根据焊接方式和焊接材料的不同，可以采用点源模型、线源模型或面源模型来描述热源的分布和功率。
除了热传导，相变也是焊接过程中的一个重要现象。
在焊接过程中，金属经历了固态、液态和气态三个相态的转变。
相变过程会引起温度的变化，从而影响焊缝的形成和性能。
数值模拟中，可以采用相变模型来描述相变过程，并通过计算相变潜热和相变温度来确定相变的位置和时间。
焊接过程中产生的应力和变形对焊缝的质量和性能也有重要影响。
应力和变形的产生主要是由于焊接过程中的热膨胀和材料的塑性变形。
数值模拟中，可以采用有限元方法来计算焊接过程中的应力和变形。
通过调整焊接参数和优化焊接序列，可以减少应力和变形的产生，提高焊接工艺的稳定性和可靠性。
数值模拟不仅可以用于焊接过程的优化，还可以用于焊接接头的设计和评估。
通过数值模拟，可以预测焊接接头的强度、疲劳寿命和断裂行为。
同时，还可以优化焊接接头的几何形状和尺寸，提高焊接接头的性能和可靠性。
除了数值模拟，仿真优化也是焊接工艺优化的重要手段之一。
仿真优化是利用计算机模拟和优化算法来寻找最优的焊接参数和工艺条件。
通过建立数学模型和采用优化算法，可以在设计空间中搜索最优解。
焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择
赵 欣等：焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择429焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择赵 欣 张彦华（北京航空航天大学机械工程学院，北京 100083）摘 要：建立合理的热源模型是焊接过程数值模拟结果准确可靠的前提。
本文总结了各种常用的热源模型，讨论焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择方法。
关键词：温度场；数值模拟；热源模型1 序 言焊接过程通常是材料在具有高能量密度的热源作用下，连接区域局部熔化或呈塑性状态，进而冷却形成焊缝和焊接接头的过程。
焊接的过程伴随着材料加热和冷却的热过程，研究焊接的热过程对于研究焊接冶金、焊缝凝固结晶、母材热影响区的组织和性能、焊接应力与变形以及焊接缺陷的产生等都有着重要的意义。
利用计算机技术对焊接过程的温度场进行数值模拟是研究焊接热过程的重要方法，通过数值计算可以得到焊接过程中母材上任意点任意时刻的瞬时精确解，而建立合理的热源模型是数值模拟计算结果准确可靠的前提。
本文在多年焊接数值模拟及实验经验的基础上讨论焊接过程温度场数值模拟中热源模型的选择方法。
确定数值模拟中的热源模型，即确定合理的焊接热流分布函数，使模拟的温度场符合实际焊接的情况。
热源模型的建立准则是熔池边界准则，即与实际焊接相比输入相同热量的情况下，如果使用所选热源模型所模拟得到的熔池区域边界（Fusion Zone Boundary ，FZB ）与实际焊缝熔合线相符，那么就认为此热源模型是合理的[1]。
对于现有热源模型的选择使用及发展均以此准则作为出发点，同时，这一准则也为判断所选模型是否合理提供了依据。
事实上，我们总是依据不同焊缝的热源特点和表现出的不同形貌特征来选择和组合热源模型，以使得模拟得到的熔池边界区域与实际焊缝融合线相符。
这样得到的焊接温度场数值模拟的结果是能够满足焊接力学分析的要求的。
2 表面热源模型 表面热源模型的特点是外界热量只是通过焊接构件表面输入，进而通过热传导把热量传输到焊接构件的每个部分。