熱彈塑性有限元法是焊接數(shù)值模擬的基本方法，該方法跟蹤整個(gè)焊接過程，已給定的時(shí)間不長，計(jì)算出每個(gè)時(shí)刻的焊接溫度場，以及計(jì)算出每個(gè)時(shí)間段由于溫度變化引起的應(yīng)力應(yīng)變增量，逐步累計(jì)疊加，最終得到的則為殘余應(yīng)力與變形。因此該方法同上也可以分析焊接過程中任何時(shí)刻的瞬態(tài)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。該方法從原理上可以分析任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接應(yīng)力與變形，但其缺點(diǎn)是計(jì)算量太大和時(shí)間太長，因而對于一些大型焊接結(jié)構(gòu)還難以完全實(shí)現(xiàn)。
焊接殘余應(yīng)力與變形產(chǎn)生的根本原因是焊接和冷卻過程中產(chǎn)生的塑性應(yīng)變、溫度應(yīng)變和應(yīng)變。對于大型構(gòu)件的焊接變形問題，產(chǎn)生塑性應(yīng)變、溫度應(yīng)變和相變應(yīng)變的區(qū)域通常僅限于焊縫附近，而焊縫區(qū)在整個(gè)構(gòu)件中所占的比例是相當(dāng)小的，故可以將整個(gè)構(gòu)件近似為彈性體來處理，在焊縫區(qū)施加與塑性應(yīng)變、溫度應(yīng)變和相變應(yīng)變等效的邊界條件，通過彈（塑）性有限元分析得到構(gòu)件的殘余應(yīng)力與變形的近似值。這種簡化手段避免了數(shù)值模擬過程中的瞬態(tài)分析和高溫導(dǎo)致的計(jì)算難點(diǎn)，大幅度地縮短了計(jì)算時(shí)間，可以得到具有一定準(zhǔn)確度的殘余應(yīng)力和變形值，因而得到了一定的應(yīng)用。這種彈性體加載的簡化方法，根據(jù)對焊縫施加的邊界條件的性質(zhì)不同，可以分為體積收縮法、收縮力法、彈簧單元法和固有應(yīng)變法，下面分別作簡單介紹 [22]。
2.3.1收縮力法
在焊接時(shí)，焊縫及其附近的金屬由于高溫下的自由變形受到阻礙，產(chǎn)生了壓縮塑性變形，它的存在使構(gòu)件相當(dāng)于受到一個(gè)外加壓力的作用而縮短和彎曲。該假想壓力被稱為焊縫收縮力。收縮力的大小主要取決于焊接過程參數(shù)以及材料的熱力特征值其次決定于構(gòu)件的剛度和焊接接頭的熱流。
焊接過程的主要參數(shù)是熱輸入量和焊接速度v。根據(jù)（2-27）時(shí)組合成單位長度焊縫的熱輸入量，收縮力與單位長度焊縫的熱輸入量存在近似公式。
（2-27）
單位長度焊縫的熱輸入量是和單位長度焊縫熔化填充金屬的體積成比例的，或是和焊縫橫截面積成正比例：
（2-28）
其中：為焊縫的橫截面積，單位是[mm2], 的單位是[J/mm]，k為與焊接方法有關(guān)的比例系數(shù)。對于藥皮焊條電焊焊k=61,金屬極氣體保護(hù)電弧焊k=41，埋弧焊k=72。
在多道焊中（道數(shù)n），收縮力應(yīng)乘以校正系數(shù)
（2-29）
另外，根據(jù)焊接順序的不同，還應(yīng)做進(jìn)一步修正。
對于結(jié)構(gòu)軟鋼，可以用下式求出收縮力的大小：
（2-30）
收縮力法先按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出焊縫收縮力，然后將焊縫收縮力加載到有限元模型上，通過彈性有限元分析就求得整個(gè)結(jié)構(gòu)的焊接變形，由于是線彈性計(jì)算，所以計(jì)算時(shí)間大為減少。但焊縫收縮立法是在經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行線彈性有限元分析計(jì)算的，它不能反映材料的物理性能和力學(xué)性能隨溫度變化的影響，而且收縮力法是將所有焊縫的收縮力一次加載到有限元模型上，不能反映焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊憽Ｔ摲m然有較大的局限性，但該方法可以進(jìn)行方案的對比分析，在大致估計(jì)時(shí)，是一種既簡單又經(jīng)濟(jì)的焊接變形預(yù)測方法。
2.3.2彈簧單元法
彈簧單元法是將線性彈簧單元加到焊接結(jié)構(gòu)的焊縫處，用彈簧單元的收縮力來替代焊縫對焊接構(gòu)件的作用，其關(guān)鍵是彈簧單元參數(shù)及其位置的確定。在實(shí)際計(jì)算中不可能精確確定彈簧單元參數(shù)、位置或收縮力的分布，因?yàn)闇?zhǔn)確確定上述參數(shù)的………………
閱讀全文： http://tech.caenet.cn/Article2306.html