一种有效的焊接温度场数值模拟方法
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。
基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究
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
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。
等离子弧焊接熔池流场和温度场三维数值模拟
（３）合理的疏密分布：在流场参数变化率较大的区域（如焊接熔池区、液固两相区等）及几何形状变化剧烈的区域采用较密的网格：（４）正交性：物面上尽可能地保证网格线的正交性，保证边界上的计算精度；（５）单值性：物理域与计算域上点一一对应，不能有网格线相交和重叠。
由于工件上存在较大的温度梯度，尤其是靠近电弧附近，温度梯度最大，离热源越远，温度梯度越小，因此把热源附近的网格分的细一些，而在远离熟源处则采用较粗的网格，这样就可以在不增加单元和节点数量静条件下提高计算精度。
有限元方法的优点之一是能很好地适应物理域复杂的几何形状，可以生成非均匀网格。
图３·１三维模型及非均匀阐格系统示意｛耋｛ＡＮＳＹＳ中网格类型有自由网格和映射网格两种。
自由网格对于实体模型无特殊要求。
对任何几何模型，规则的或不规则的，都可以进行网格划分，并且没有特定的规则。
所用单元形状取决于对面还是对体进行网格划分，自由面网格可以只由四边形单元组成，也可以只由三角形单元组成，或由两者混合组成：自由体网格一般限图４—１（ｂ）为焊接时问为０．２ｓ时温度情况，可以看出，在焊接热源作用下，电弧下方中心处工件温度迅速升高，工件开始熔化，并出现少量液相。
图４．１（ｃ）．（ｇ）即０．２ｓ，１．２ｓ时间段，随着焊接过程的进行，热输入量增加，焊接熔池温度不断升高。
液态金属量逐渐增多，熔池沿着径向和轴向两个方向扩展。
其中径向方向的扩展更为明显。
这主要是因为焊接初期，热传导起主要作用，形成的熔池体积较小，流体流动速度较低，等离子流力和电磁力纵向的挖掘作用较弱，因此熔池主要沿着径向方向扩展，轴向也伴随有一定程度的扩张。
焊接熔池形状近似成半椭圆形，并以椭圆形为基础逐渐长大。
图４一ｌ（ｈ）一（ｎ）即１．４ｓ．２．４ｓ时问段，随着焊接时间的延长，热输入量继续增加，焊接熔池液态金属量增多，液态金属的运动也逐渐加剧，此时熔池主要沿轴向方向扩展，熔深增加，直至熔透，径向方向上熔池尺寸也有一定程度的增加。
《2024年基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》范文
《基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究》篇一一、引言焊接作为一种重要的工艺方法，广泛应用于各种工程结构中。
然而，焊接过程中产生的温度场和应力分布对焊接结构的质量、性能和使用寿命有着重要的影响。
因此，对焊接温度场和应力的研究具有非常重要的意义。
本文将通过ANSYS软件进行焊接温度场和应力的数值模拟研究，以期为焊接工艺的优化提供理论依据。
二、焊接温度场的数值模拟1. 建模与材料属性设定在ANSYS中建立焊接结构的几何模型，设定材料的热学性能参数，如热导率、比热容等。
同时，设定焊接过程中的热源模型，如高斯热源模型等。
2. 网格划分与边界条件设定对模型进行合理的网格划分，以便更好地捕捉温度场的分布情况。
设定边界条件，包括环境温度、对流换热系数等。
3. 求解与结果分析通过ANSYS的瞬态热分析模块进行求解，得到焊接过程中的温度场分布情况。
分析温度场的变化规律，研究焊接过程中的热循环行为。
三、焊接应力的数值模拟1. 建模与材料属性设定在ANSYS中建立与温度场分析相同的几何模型，设定材料的力学性能参数，如弹性模量、泊松比等。
同时，导入温度场分析的结果作为应力分析的初始条件。
2. 网格划分与约束条件设定对应力分析模型进行网格划分，并设定约束条件，如固定支座等。
这些约束条件将影响应力的分布情况。
3. 求解与结果分析通过ANSYS的结构分析模块进行求解，得到焊接过程中的应力分布情况。
分析应力的变化规律，研究焊接过程中的残余应力分布情况。
同时，结合温度场分析结果，研究温度与应力之间的关系。
四、结果与讨论1. 温度场分析结果通过ANSYS的数值模拟，得到了焊接过程中的温度场分布情况。
结果表明，在焊接过程中，焊缝处的温度较高，随着距离焊缝的增大，温度逐渐降低。
同时，随着时间的变化，温度场呈现出明显的热循环行为。
2. 应力分析结果在应力分析中，我们发现焊接过程中会产生较大的残余应力。
这些残余应力主要分布在焊缝及其附近区域，并呈现出一定的规律性。
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。
低压直流电弧焊接过程中温度场与应力场的数值模拟
低压直流电弧焊接过程中温度场与应力场的数值模拟在工业生产中，低压直流电弧焊接已成为常用的一种焊接方式。
在焊接过程中，温度场和应力场是非常重要的参数。
通过数值模拟可以对这些参数进行预测和优化，在提高焊接质量和效率方面有着重要的作用。
首先，我们来了解一下低压直流电弧焊接的基本原理。
低压直流电弧焊接是在电流作用下将物体熔化并焊接在一起的一种方式。
电弧产生时，焊接区域温度迅速升高，形成一个高温区。
高温区内的金属熔化并与周围的金属融合，从而实现焊接目的。
在这个过程中，温度场和应力场是密切关联的。
温度场的变化会导致物体中的应力分布发生改变。
应力场的分布又会影响温度场的分布。
因此，在进行低压直流电弧焊接时，需要综合考虑温度场和应力场的影响。
数值模拟是对焊接过程中温度场和应力场进行预测和优化的常用方法。
数值模拟可以通过计算物体内部的温度和应力分布，提前判断焊接过程中可能出现的问题，并优化焊接参数，以达到最优的焊接效果。
一般来说，数值模拟有两种方法：有限元法和边界积分法。
有限元法通过将较复杂的物体划分为许多小的单元，对每个单元内部的温度和应力进行计算，再将单元之间的影响整合起来，得到整体的温度场和应力场分布。
边界积分法则先对物体表面和焊接区域的边界进行计算，再通过整合边界处的影响，计算出整体的温度场和应力场分布。
数值模拟的结果可以用来优化焊接参数，例如选择合适的焊接电流、焊接速度和焊接角度等，以减小应力集中和裂纹产生的风险。
对于焊接过程中可能出现的变形问题，也可以通过数值模拟来预测和优化。
这些预测和优化操作可以帮助人们在焊接过程中取得更好的效果。
综上所述，低压直流电弧焊接中温度场和应力场是焊接质量和效率的重要参数。
通过数值模拟，可以提前预测和优化这些参数，从而提高焊接质量和效率。
各种数值模拟方法都有其优点和适用范围。
在具体的生产中，需要综合考虑工艺条件和需求，选取合适的数值模拟方法和参数，以达到最佳效果。
7A52铝合金双丝MIG焊接温度场数值模拟
７５ Ａ ２铝合 金 是 国 内 自行研 制 的一 种 Ａ — ｎ Ｍｇ ｌＺ — —
温度场 的准确计 算是 焊接冶 金分 析 、残余应 力 与变形
Ｃ ｕ系 可热处 理强 化 的高强度 变形 铝合 金 ， 有 比强 度 具 高、 比刚度 大和耐 热性强 等优点 。此种 合金 熔铸 方便 ，
／ｌ ｌ ｅ ｈ ｏ ｇ ｈ ｓ ｆ “ ｉ ｈ ａ ｄ Ｄ ａｈ ｌｍｅ ｔ ｅ ｈ ｏｏ ｙｏ ｋ ｇ ａ ｔ Ｔ ｒｕ ｈ ｔ ｅ ｕ ｅｏ ａ／ Ｂ ｒ ｎ ｅ ｔ ”ｅｅ ｎ ｃ ｎ ｌｇ ｆ ｔ ｔ ＡＮＳ Ｓ，ｎ ｍｅ ｃ ｌｓｍｕａ ｉｎ ｗａ ｄ ｎ ｔ ｅ ｔ ｅｍａ Ｙ ｕ ｒ ａ ｉ ｌｔ ｓｍａ ｅ ｏ ｈ ｒ ｌ ｉ ｏ ｈ
Ｎｕ ｒ ａ ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｍｐ ｒｔｒ ｅｄ ｏ ｉ ｉｅＭＩ ｗ ｌｉｇｆｒ７ ２ ａｕ ｎ ｍ ｌ ｙ ｍｅｉ ｌ ｍｕａｉ ｆｔ ｃ ｓ ｏ ｅ ｅａｕｅｆ ｌ ｆｔ ｎｗ ｒ Ｇ ｅｄｎ Ａ５ ｌ ｍｉｕ ａｌ ｉ ｗ ｏ ｏ
ＴＡ ｏ ｇｕ Ｃ Ｅ ｕｏ ｇ Ｘ Ｅ Ｒ ｉ ｎ Ｈ Ｏ Ｙ ｎｆｉ Ｉ Ｎ Ｈ ｎ ｙ ， Ｈ Ｎ Ｆ ｒｎ ， Ｉ ｕ ｕ ， ， 通过适 当 的 固溶及 回归再 时效处 理 ．可使合 金获 得优 良的综 合性 能， 已在 建筑 、 用设施 、 空航天 器 、 面 车辆及装 备 军 航 地
计 算 以及 焊接 质量控 制 的前 提 ，其数 值模拟 研究具 有
重 要 的意义 …。以 ７ ５ Ａ ２铝 合 金 为 试 验 材 料 ， 用 采
的动 态 过程 ， 真实 试 验 过程 完 全 吻 合 。结 果 表 明 ，Ａ ２铝 合 金双 丝 ＭＩ 与 ７５ Ｇ焊 接 过 程 中 ， 点 处的 峰 值 温 度 可达 到 ８７ｏ。 焊 ３ Ｃ 关 键 词 双 丝 ＭＩ 焊 ； 度 场 ； 值模 拟 ；Ａ ２铝 合金 Ｇ 温 数 ７５ 中图 分 类号 Ｔ ４ ２ Ｇ ０ 文献 标 识 码 Ａ 文章 编 号 １０ — ４ Ｘ ２ １ ）３ ０ ２ － ４ ０４ ２４ （ ０ ００ — ０ ２－ ０
焊接温度场和应力场的数值模拟
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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。
基于ANSYS的旋转电弧焊接温度场的数值模拟
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题研 究 采用 的是 “ 理论 一数 值模 拟一 生产 ”方 法 ，后
者 比前 者不 仅节 省 了时 间 、人力 、财 力和 物力 ，而 且 能 得 到试验无 法 得到 的某些 结果 。
收 稿 日期 ：２ １— ２ ０ ００ １—６
分采 用映 射 网格 ，并 且在 焊缝 中心采 用较 为细 密 的网 格 ：而在 远离焊 缝 的地方 ，为 了节省 计算 时 间 ，且 由 于计算 机 容量 的 限制 ．则适 当采用较 大 的 网格 Ｃ。如 ３ ］
图 ２所 示
基 金 项 目 ：国 家大 学 生创 新 性 实验 计 划 项 目 （８ ｏＯ ３ ） Ｏ １ ４ ３０
７ ３
１０ ４
ｌ５ ２
２４ ２
４Ｏ ０
４０ ５
５０ ０
热焓，
０ ９５ｘｌ ２． ｘ１ ３ ６ ０ ６ ｘｌ ９ ． ９ １ ‘ ．ｘｌ ９ ． ３ ０ Ｏ ２３ ０９ ｘｌ ９ ４ ９ ｏ ２ ｘ ０ ７ ０ ５ ｘ１ ７ ８ １
． ． ．
１ 有 限元计 算模 型
０ 序 言
工 件 的初 始 温 度 与周 围环 境 温度 体 的 流 动作 用 ： ⑥
忽 略金属 的填充 熔敷 作用 。 热分 析单元 选用 ８节 点六 面体单 元 Ｓ ＬＤ ０ Ｏ Ｉ ７ 。该
焊 接 温 度 场 的准 确 计 算 是 焊 接 冶金 分 析 、焊 接
应 力 和 变 形 分 析 以及 焊 接 质 量 控 制 的前 提 。 随 着 对 焊 接 质 量 要 求 的不 断 提 高 ，单靠 试 验 手段 来 研 究 温 度 场 分布 是十 分 困难 的 ＿。笔者 以旋 转 电弧传 感 器 焊 １ ］ 接 过 程 为研 究对 象 ，利 用 Ａ Ｓ Ｓ软 件 ，建立 旋 转 电 ＮＹ 弧 焊 的有 限元 模 型 ，包 括 确 定 几 何模 型 、材 料 特性
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式 中 ：嘶，ａ，ｂ ｂ ，ｃ就是 双 椭 球 体热 源 模 型 的形 状 参
数 ；Ｑ为 热输 入 功率 ； 为 焊接 速度 ；ｔ 为焊 接 时 间 ；
ｒ ｂ ， 为模型 前后 部分 能量 系数 ，且 Ｄ ｒ ２ ，ｒ ＋ｂ 。 ＝
分 布不 同时计算 结 果会有 很 大差异 。所 以在 使用 椭球 体 热源模 型 时形 状 参数 的选 取是非 常 重要 的 。本 文分 别 对半 椭球 体 热源 的 ３个 重 要 参数 选 取 了 ３组 数 值 ， 然后 应用 Ａ Ｓ Ｓ软 件 进行 仿 真 ．并 将 得 出的结 果 进 ＮＹ 行 了初 步分析 。
ｅＬ 一舌１（） （ ｘ ０）（／ ＼／ ３ ｐ ＼ ／ ＼ ÷ ） Ｄ— Ｃ ０ ３ ３
２ 半椭 球体 热 源模型 数值 分析 在 仿 真 分 析 过 程 中 ．选 取 规 格 为 ２ ０ ｍｉｘ ４ ５ ｎ ２０
ｍｍｘ ０ｍ 的 Ｑ ３ 焊件 ：热 源 输入 功率 为 ２ ０ ２ ｍ ２ ５钢 ６ Ａｘ
×
１ 半椭 球体 热源 模型 及各 形状 参数
Ｇ ｌａ ｏ ｋ椭球 体 热 源 模 型 分 为 双 椭 球 体 热 源 和半 ｄ 椭 球体 热源 ２种 ．半椭球 体 热源是 双 椭球体 热 源 的一 个 简化 。在 实际焊 接 中 由于热源 是移 动 的 ，所 以热 源 内部 热 流在热 源移 动方 向 的前 半部 分 比较 陡 ，后 半部
度 的减小 可 以使 熔 池大小 随 ａ的增 大 而变小 ，且 由于 熔池形状 的长宽之 比变 大 ，所 以熔 池变得 细长。预测 ， 当采 用较 大 的 ａ 时 ．由于计 算结 果温 度达 不到试 件 值 材料要求 的熔 点将导致在仿 真分析 中不会 出现熔 池。 ２ 宽 度参数 ｂ对 运算 结果 的影 响 ． ２
Ｗｅｄｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｌｉｇＴ ｃ ｎ ｌｇ Ｖｏ．９ １ Ｎｏ５ Ｍａ ０ ０ ３ ． ｙ２ １
文章 编 号 ：０ ２ ０ ５ （Ｏ ＯＯ 一 ０ ５ ０ １０ — ２ Ｘ ２ １）５ Ｏ １— ３
・ 验 与 研究 ・ １ 试 ５
一
种 有 效 的 焊 接 温 度 场 数 值 模 拟 方 法
为 了简化 运算 ，可 以使 ａ ａ ａ ｆ ｒ １ ： ｂ ，ｒ ｂ ，这 样双 ＝＝ ￣－
椭球 体热 源模 型就 变成 半椭球 体 热源模 型 。其 中 ａ为 长度 参 数 ，ｂ为 宽度 参 数 ，ｃ为 垂 直参 数 。则上 述 二
式 可写 为 ： ｇ ，ｙ ，ｆ： （ ， ）
ａｂｃ叮 Ｔ ＴＶ １
张 元 纯
（ 国汽 车 工业 工程 公 司 ，天 津 ３ ０ ９ ） 中 ０ １０
摘 要 ：应 用有 限 元 软 件 ＡＮ Ｙ Ｓ Ｓ对半 椭球 体 热 源作 用 下的 焊 接 温 度 场 进 行 仿 真 。将 半 椭 球 体 热 源模 型 的 ３个 形 状 参 数 ：长 度 参 数 、 宽度 参数 和 垂 直 参数 分 别 独 立 变化 ， 以单 独 考查 每 个 形 状 参 数 对 熔 池 形 状 的 影 响 。 结果 表 明 ： 模 型 的 长 度 参 数 和 宽 度 参 数 是 改 变 模 拟 结 果 中 熔 池形 状 的主 要 参 数 ；垂 直 参 数 的 变 化 对 熔 池 形状 无影 响 ，但 可 以影 响 熔 池 的 大 小。
几何形状 成 为可 能 。 ２ ］ 然 而对 于输入 功率 大小 相 同的热 源 ，当热 流密 度
ｅ－ ）（）（）（ ｘ ３ 一舌 一÷ Ｊ ） ｐ （ ３ ３ ＇ １
后半 部分 的热 源公 式是 ：
ｇ（ ， ，￡： ： ，） ， ） ×
口６ ｃ Ｖ 竹 Ｄ订
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ｌ（ ）（）（）（ － ．舌一 Ｊ ） ３ ３ ３ ７
２ ３Ｖ，热 源有 效 系 数 叼为 ０８ ；焊 枪 沿 方 向移 动 ， ． ５
１ ・ 验与研究 ・ ６ 试
焊 接 技 术
第 ３ ９卷 第 ５期 ２ １ ０ ０年 ５月
热 源 移 动 速 度 为 ５ｍｍ ｓ ／。将 各 热 源 形 状参 数 初 步 定 为 长 度 ａ ７ｍｍ，宽 度 ｂ ５ｍ ＝ ＝ ｍ，纵 向参 数 ｃ ２ｍ ＝ ｍ。 在 不 同计 算 中 ，ａ ，ｃ各参 数 仅其 中一个 变化 来 讨 ，ｂ
大量理 想化 假设基 础 上 的 ．主要 缺 陷是将 热源 处理 为
分 比较 缓慢 。这 就是 双椭 球体 热源 的模 型依 据 。双椭 球 体热 源分 ２个 公式 描述 ，这 ２个公 式 的长度 参数 是
不 一样 的 。前半 部分 的公 式是 ：
点 线 面热 源或认 为 焊件 的几 何 尺寸 是无 限 的ｌ。但 在 １ ］
计 算实 际焊接 中的热源 时 ，尤其 对薄 焊件来 说 ，常 常
必 须考 虑 热 源尺 寸和 形 状对 焊 件 上熔 池 形状 的影 响 ．
ｇ ，， ： 盟 ｙ ） （ ， ／
ａ ｂ ＇ Ｖ 竹 ｆ ｃｒ ｒ
×
因此 Ｇ ｌａ ｏ ｋ引入 了三 维 椭 球体 热源 模 型 以此 代 替传 ｄ 统 的 Ｇ ｕｓ ｎ二 维 热 源 模 型 ，克 服 了高 斯 热 源 模 型 ａ ｓｉ ａ 未考 虑热 源对熔 池深 度方 向影 响 的缺点 。椭球 体 热源 模型 描述热 流密度 分 布在椭 球 体 内 ．可 以反 映热 流沿 深度方 向对 焊件进 行 加热 的特 点 ．因此 可 以对 焊接 温 度 场进行 更 为准确 地模 拟 ，使准 确地 预测 焊接 熔池 的
关键 词 ：半 椭 球 体 ：热 源 模 型 ；焊 接 温 度 场 ； 形 状 参 数 ； 有 限 元 中国 分 类 号 ：Ｔ ４ ７ Ｇ ５ 文 献 标 志 码 ：Ｂ
传 统 的 焊 接 热 源 模 型 如 Ｒ ｓｎｈ ｌ 源 模 型 、 ｏｅ ｔａ 热 Ｒ ｋｌ ｙ ａ ｎ热 源模 型 以 及 Ｇ ｕ ｓ ｎ热 源模 型都 是 建 立 在 ｉ ａ ｓｉ ａ