焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析
焊接变形和残余应力的影响
焊接变形和残余应力的影响摘要：影响焊接质量的因素有很多，且影响机制非常复杂。
在实际生产过程中，当材料、焊接工艺确定的情况下，焊接质量主要取决于焊接工艺参数的选择。
而各个工艺参数之间的合理配置对提高焊接工作效率具有重要作用。
国内外的研究和应用表明，只要焊接工艺参数合理，保证焊接接头可以具有良好的性能。
基于此，本文主要对不同点固焊接形式对焊接变形和残余应力的影响进行了简要的分析，以供参考。
关键词：点固焊接形式；焊接变形；残余应力；影响引言焊接质量的好坏直接影响到加工余量、装配精度、产品性能和使用寿命。
如何提高焊接质量，有效控制焊接变形和残余应力，已成为当前工程应用中亟待解块的难题。
1有限元模型焊接过程模拟关键是建立精确的有限元模型，包括合理的网格模型、材料的热物理及力学特性参数、热力边界条件。
利用HyperMesh强大的网格化分功能对模型进行单元网格划分，为保证模型的计算精度与计算效率，采用网格过渡形式进行划分，焊缝和热影响区附近网格比较细密，控制在2mm，远离焊缝的母材区域网格较为稀疏，控制在6mm。
为避免出现剪切自锁和少漏现象，在厚度方向上母材区域网格确保为2～3层。
单元类型选择八节点六面体实体单元，模型共划分为16552个20节点单元，76783个节点。
模拟采用的材料为较为普遍使用的Q345低合金高强度结构钢，本文选择Goldark双椭球体热源物理模型模拟MAG焊接热源，采用温度均匀热源加载方式，作为焊接热源边界条件。
由于实际焊接过程中工件表面与周围环境之间存在温度差异，通过对流和辐射2种力式进行热交换，周围环境温度设为20℃，工件表而换热系数，采用位移约束定义模型的力学边界条件。
2不同点固焊接形式对焊接变形和残余应力的影响2.1纵向残余应力纵向残余应力沿横向的分布。
两种约束条件下纵向应力的横向分布趋势相同，在0-20mm范围内，始终表现为较大的纵向拉应力状态，且随着距焊趾距离的增加，纵向拉应力均呈先增大后减小趋势。
焊缝焊接收缩量的ANSYS仿真分析
焊缝焊接收缩量的ANSYS仿真分析作者：张利来源：《城市建设理论研究》2013年第10期摘要：现代焊接技术趋于完善，对焊接变形的数值已有很多经验公式计算，但是都是实测数据，环境不一样，焊接收缩就不一样。
本文运用ANSYS的热分析功能对焊接的收缩进行仿真。
该仿真存在的难点是热结构耦合、单元生死、材料的弹塑性、APDL参数化设计。
关键词：焊缝焊接收缩量ANSYS中图分类号: P755.1文献标识码： A 文章编号：第一步：输入材料特性，建立模型，设定焊接速度，计算热源值。
输入材料特性；本计算模型采用Q345qD钢材的材料特性，设初始温度为室温25℃，且材料密度不变化。
材料密度设为7.85×103 Kg/m3，热膨胀系数为1.75×10-5，初始弹性模量为E=2.0×1011Mpa，泊松比0.25，初始导热系数为18.6W/m·℃，比热容设为502J/（Kg·℃），初始热焓值6.13×109，这些材料特性随温度变化而变化，如下表1、2、3所示：表1：钢材弹模与温度的关系表2：钢材导热系数、比热与温度的关系表3：钢材热焓值与温度的关系由于材料会进入塑性变形区，采用多线性随动强化和双线性随动强化两种方式定义材料在温度变化情况下的特性。
随着温度的升高，钢材的应力-应变曲线越来越平缓，即钢材的强度变低。
建立模型；钢板对接和T接的模型建立比较简单，鉴于需要分析的钢板板厚较多，所以采用参数化设计，方便修改模型。
定义的变量仅有板厚。
对接模型采用单边V形坡口，钝边固定为2mm，坡口角度60°。
单元类型先采用SOLID70进行热分析。
设定焊接速度；按照焊接经验，焊接速度取5mm/s，即热源移动速度为5mm/s。
计算热源值；本模型假设热源与时间成反比例，即热源hetg=a/△t，其中a与焓值、密度、温度相关。
考虑到实际施焊时，焊完一道有足够时间让母材冷却，本模型假设冷却30分钟，母材温度降至室温。
基于ANSYS的堆焊过程应力场动态模拟
ａ ６ｍｍ，材 料 为 ６ Ｃ Ｍｎ ｏ钢 ， 由 于模 型 的 对 称 ｒｍ￣ ０ｒ Ｍ
随着 计 算机 技术 及有 限元 方 法 的快速 发展 ，引发
了焊接过 程模 拟技 术 取 其一 半 进 行 分 析 ，电弧 中心在 轴 上 移 动 。
实 际模 型 如 图 １ 示 。对 实 际模 型进 行 网格划 分 ，划 所 分情 况如 图 ２所示 。
间 、节 约研 究经 费 ，而且 可 以 了解 试 件上 残余 应 力 的
分 布规律 ，优 化焊 接 工艺 ，尤 其是 焊 接温 度场 和应 力 场 的数值 模拟 。 在焊 接过 程 中 ，焊缝 附 近最 高温度 可 高达 材料 的
表 １ ６ Ｃｒ Ｍ ｏ钢 力 学 性 能 参 数 ０ Ｍｎ 温 度， ℃
２０ ｏ ４０ ０ ６ｏ ０ ８０ ｏ ｌ０ ０ ｏ
泊 松 比
Ｏ３ － Ｏ３ ＿ ０３ － ０３ ． ０３ ＿
线 膨 胀 系 数×１＿℃ ｏ６ ，
１ ． ３９ １． ６１ １ ． ６７ １ ． ６７ １ ． ６７
图 １ 实 际 三 维 模 型
力 的发 展过 程 ，深 入研 究残 余应 力形 成 机理 具有 重要
的工程 实 际意义 。
１ 建 立 有 限 元 模 型
１ 三维 有 限元模 型 的建 立 ． １
利 用 有 限元 分 析 软 件 建 立 三 维 焊 接 传 导 过 程 模
收 稿 日期 ：２ １— ３ ２ ００ ０—２ 基 金 项 目 ：河北 省 自然 科 学基 金 项 目 （ ２ ０ Ｏ ｏ ２ ） Ｅ ｏ ６ ｏ ５ ８
种相 变所 出现 的体 积变 化将 产 生新 的 内应力 。当温 度 恢复 到原始 状 态后 ．如 果相 变 的产 物还 保 留下 来 ，那
焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施
０机械 与电子０
科技信 息
焊接应力与焊接变形的产生原因与控制措施
刘 洪 林
（ 大唐 国际唐 山热 电责任 有 限公 司 河北
【 摘
接应 力与变形， 高焊接 工序的精度， 提 具有十分重要的现 实意 义。
５ 消 除 焊 接 应 力 的 方 法
消除焊接应力 的方法 有 ： 热处 理法、 机械法和振动法。 ５１ 热处理方法包括 ： ． 整体热处理 和局部 热处 理。将整个构件放在炉 中加热到一 定温度 ． 然后保 温一段 时间再冷却 。通过整 体高温 回火可 以将构件 中 ８ ％ ９ ％的残余应力消 除掉 ， ０ 一０ 这是生产 中应用 最广泛 、 效
唐山
０３ ０ ） ６ ０ ０
要】 随着社会 经济与技 术的不断发展 ， 现代焊接向着 大型化 、 高精度 的方 向发展 。 如何采取措施减 小金属结构在焊接 工序 中发 生的焊
【 关键 词】 焊接 变形 ； 焊接应力 ； 产生原 因； 控制措施
焊接变形 的种类很 多 ． 与构件 形状和尺寸 ． 焊接方法 和顺 序 ． 约束 在焊接过程 中 ， 由于焊件 局部的温度发生变化 ， 产生应力变形。 进 而导致 了构件产生变形 。因此 ， 通过对焊接结构及焊接变形 的分析 ， 通 情况 等很 多因素有 关 常见焊接变形 主要分为以下几大类 ： 过对焊接工艺焊件结构设计 等方面采取有效措施 ， 而提高焊接质量 。 ３１ 横 向收缩变形 ： 焊后在 垂直于焊缝方向产生收缩。 从 ． 构件 ３ 纵 向收缩变形 ： 焊后在 焊缝方 向产生收缩。 ． ２ 构件 １ 焊 接 应 力与 焊接 变 形 的产 生原 因 ３３ 角变形 ：由于焊缝 的横 向收缩使得焊件平 面绕焊缝轴产 生角变 － 化。 焊接应力 ． 缝冷却至原 始温度后 ． 焊 在整个接 头区 内焊缝及 近缝
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程
焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。
焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。
焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。
这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。
由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。
因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。
传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。
ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。
文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。
2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。
由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。
在焊接分析中，常用的数值方法包括：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转换为差分方程来进行求解。
对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。
但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。
基于ANSYS的6082铝合金T形接头MIG焊的有限元模拟
：堇望皇堕窒： !兰
2．2焊接工艺参数
采用如 图3所 示的焊接 方向，通过 一次施焊完
成，氩气流量为24 L／mi n，焊接工艺参数见表l 。现
有的焊接热源模型中，文中选择移动的双椭球热源
模型来模拟MI G焊。
衰1焊接工艺参数
l 序号
l
I
l
2
l
3
焊接电流／／A 2 15 2 15 215
电弧 电压￡ W
焊接冷却后，选取焊缝线中点为采样点，在不
同的焊接 速度下，其温度 循环曲线如图5所示。从
图5可以看出，随着焊接 速度的增大，采样点最 高 温度明显降低，并且由于峰值处附近的曲线越来越
陡峭，说 明该点到达最 高温度的时间也 越短。
圈3 边界约 束
摘要：借助有限元分析软件ANSYS．模拟了60 82铝舍金T形接头MI G焊的焊接温度场和应力应变场。采用移动的双椭球热源模型模
拟MI G焊过程．并考虑到了母材6 082和焊丝ER5356 这2种材料随温度变化的热物理性能参数。通过3种不同的焊接速度模拟比较
发现，随着焊接速度的增大．温度场区域面积减小，熔池温度降低， 焊缝处纵向和横向残余应力均增大，热影响区和垂直于焊缝方向
图1有限兀 模型
1．2材料特性参数 材料的热物理性能参数为温度的函数，它对模
拟结果的精度有着很大的影响。焊接过程中母材和 焊丝都会经历一个先加热后冷却的过程，因此，需 要考 虑母材 6082铝 合金和 焊丝ER5356动 态的热 物
型呈翌也曼 堡! 垫呈 竺! 竺旦 ! 型：丝型 竺：! 坚翌 ：垫! !
100 200 300 400 500 600
温度" ac
( b) ER5356材料热物理性能
焊接应力与变形
喷水冷却；紫铜散热板
如图示
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圆筒体对接焊缝焊接顺序 返 回
散热法示意图 返 回
不对称焊缝的焊接 先焊
后焊 返 回
长焊缝（1m以上）焊接 总体的焊接方向
２
分段退焊示意图
５
返 回
反变形法
焊接之前
焊接后 返 回
将焊件固定在刚性平台上。 薄板拼接时的刚性固定
将焊件组合成刚性更大或对称的结构 T形梁的刚性固定和反变形
工字梁的扭曲变形
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焊接残余应力基本知识
一、焊接残余应力的分类
1. 按产生应力的原因分 （1）热应力 （2）组织应力（相变应力） （3）凝缩应力应力 （4）拘束应力 （5）氢致应力
2. 按应力存在的时间分 （1）焊接瞬时应力 （2）焊接残余应力
二、焊接残余应力的分布
1. 纵向残余应力 x的分布
利用焊接夹具增加结构的刚性和拘束。 对接拼板时的刚性固定
利用临时支撑增加结构的拘束。
防护罩焊接时的临时支撑
返
回
控制残余应力的措施
1. 设计措施 1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸。 2）避免焊缝过分集中，焊缝间应保持足够 的 距离。
3）采用刚性较小的接头形式。 减小接头的刚性措施
2.工艺措施
交叉焊缝的焊接 返 回
受力最大的焊缝应先焊 返 回
加热“减应区”法
黄色的区域代表焊缝
返
红色的区域代表加热区域
回
焊接残余变形的矫正
1）机械矫正法：平板机、千斤顶（5-300吨手动液压千 斤顶顶起的最大高度是160-180mm）
卷板机（最多可4辊）
如图示
2）火焰矫正法：将伸长的部分加热 500℃-800℃（褐 红色）然后自然或强冷
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。
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焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析
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。
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。
(3)读入热分析的结点温度作为结构分析的荷载,设置参考温度,结
构分析求解残余应力。
而直接耦合法为采用Ansys提供的可以进行复合域（热-力学分析）
分析的单元类型，同时进行热分析与力学分析，从而获得焊接后的变形
与残余应力。
以下分析过程分为厚板对接焊的焊接过程模拟与焊件的变形与残
余应力分析、厚板的全熔透T形接头焊缝的焊接过程模拟与焊件的变形
与残余应力分析、箱型截面构件的焊接变形与残余应力分析和K型节点
的焊接变形与残余应力分析四个部分。
其中第一、二、三部分采用Ansys中的实体单元，以直接耦合法对
焊接过程进行模拟，并分析了焊接后的变形与残余应力，第四部分则采
用壳单元以间接耦合法对焊接变形与残余应力分析。
采用的计算参数说明如下。
钢材应力应变关系采用双线性随动强化非线性关系，不同温度下的
应力应变曲线如图所示，其中，
1）折点位置为屈服应力，常温下取为345*E6 N/m2；
2）曲线斜率为弹性模量E，常温下取为*E11 N/m2；
3）达到屈服点后的弹性模量取值较小以模拟钢材的塑性屈服。
钢材弹性模量采用随温度变化的非线性关系，如图所示。
未考虑以下参数随温度的变化，而将其取为常数：
热膨胀系数取为*10-5 m/m*K
热容量取为520 J/(kg·K))
热传导系数取为 W/(m·k))
泊松比为
密度为7850N/m
3
为方便起见，焊药的热力学性质和力学性能取与钢材相同。
厚板对接焊的变形与残余应力分析
变形图:
残余应力分布图:
纵向残余应力:
横向残余应力:
全熔透T形接头焊的变形与残余应力分析
有限元网格划分图:
变形图:
残余应力分布图:
横向残余应力:
箱型截面构件的焊接变形与残余应力分析
有限元网格划分图:
变形图:
变形图(部分):
残余应力分布图:
残余应力分布图(部分):
K型节点的焊接变形与残余应力分析
有限元网格划分图:
变形图:
残余应力分布图:
厚板对接焊缝焊接过程模拟示意图
施工过程模拟中每次生成一个焊缝单元，模拟方法为按照次序生成
单元，将新生成单元所包含的节点的温度定为1500度（持续时间为），
将此作为初始条件进行计算，经5s（模拟焊接一个焊缝单元所需时间，
此段时间内焊缝将根据给定条件传热给周围单元降温）后生成下一单
元。依次生成全部单元完成整个焊接过程的模拟。
全融透T形接头焊接过程模拟示意图
小节
经过以上对厚板对接焊的焊接过程模拟与焊件的变形与残余应力
分析、厚板的全熔透T形接头焊缝的焊接过程模拟与焊件的变形与残余
应力分析、箱型截面构件的焊接变形与残余应力分析和K型节点的焊接
变形与残余应力分析，可以看出：
焊接过程模拟的有限元分析具有相当的精度，可以为实际施工过
程提供参考以优化施工工序和施工工艺。
采用有限元对焊件变形和残余应力的分析可以获得与实际情况
比较符合的变形和残余应力，以便事先采取相应措施加以解决。