焊接數值模擬的案例
鋼結構焊接的Ansys數值模擬
圖7(c)為四邊自由的鋼板對接焊接[11]，其橫截面處的殘余應力分布形式與圖7(b)對比可見，數值模擬的橫截面處殘余應力分析結果與實際殘余應力分布圖形形態大致相同。由于焊接過程中的溫度變化，使鋼板發生了不均勻的收縮膨脹，所以在焊縫附近產生收縮變形，遠離焊縫處產生了拉伸變形，由于沒有外在的約束作用，故其拉壓應力相互平衡，該數值模擬正確地反映了這一特點。
3 結論
焊接過程是非常復雜的，影響因素很多，現有的理論還無法準確地描述。截止到目前，數值模擬是一種較好的研究焊接溫度場、焊縫應力和焊接變形的方法。根據本文研究，可得如下結論：
(1) 利用數值模擬方法確定焊接變形和應力，其前提是有準確的溫度場；Ansys數值模擬的溫度場與雷卡林試驗溫度場吻合較好，表明焊接數值模擬獲得的溫度場較為準確。
(2) 焊縫附近各點的溫度變化與實際焊接情況相符，表明Ansys能夠很好地模擬焊接整個動態過程。
(3) 焊接結構施加溫度荷載以后，可以實現殘余應力的模擬，由鋼板橫截面上的殘余應力結果看出，與實際焊接情況相符。
由此可見，工程結構中的焊接過程，可以通過Ansys軟件進行分析計算，焊接模擬的準確度滿足建筑結構的要求，可以用來解決結構焊接的實際問題。正確的殘余應力模擬，對于分析焊接結構的安全性、焊接變形和焊接以后承受荷載的二次變形等具有重要的意義。當然對于比較重要的大型結構最好再進行物理模型試驗，以驗證結果的可靠性。
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展開 焊接簡化數值模擬方法的對比
熱彈塑性有限元法是焊接數值模擬的基本方法，該方法跟蹤整個焊接過程，已給定的時間不長，計算出每個時刻的焊接溫度場，以及計算出每個時間段由于溫度變化引起的應力應變增量，逐步累計疊加，最終得到的則為殘余應力與變形。因此該方法同上也可以分析焊接過程中任何時刻的瞬態應力應變狀態。該方法從原理上可以分析任何復雜結構的焊接應力與變形，但其缺點是計算量太大和時間太長，因而對于一些大型焊接結構還難以完全實現。
焊接殘余應力與變形產生的根本原因是焊接和冷卻過程中產生的塑性應變、溫度應變和應變。對于大型構件的焊接變形問題，產生塑性應變、溫度應變和相變應變的區域通常僅限于焊縫附近，而焊縫區在整個構件中所占的比例是相當小的，故可以將整個構件近似為彈性體來處理，在焊縫區施加與塑性應變、溫度應變和相變應變等效的邊界條件，通過彈（塑）性有限元分析得到構件的殘余應力與變形的近似值。這種簡化手段避免了數值模擬過程中的瞬態分析和高溫導致的計算難點，大幅度地縮短了計算時間，可以得到具有一定準確度的殘余應力和變形值，因而得到了一定的應用。這種彈性體加載的簡化方法，根據對焊縫施加的邊界條件的性質不同，可以分為體積收縮法、收縮力法、彈簧單元法和固有應變法，下面分別作簡單介紹[22]。
2.3.1收縮力法
在焊接時，焊縫及其附近的金屬由于高溫下的自由變形受到阻礙，產生了壓縮塑性變形，它的存在使構件相當于受到一個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以及材料的熱力特征值其次決定于構件的剛度和焊接接頭的熱流。
焊接過程的主要參數是熱輸入量和焊接速度v。根據（2-27）時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。
展開 焊接仿真技術應用與未來發展
焊接是一種歷史悠久的制造工藝，同時也是應用最廣泛的材料連接 方式之一。我國是鋼鐵產銷大國，同 樣也是焊接應用大國。當前的焊接 應用中還存在很多落后的工藝方式， 將現代焊接數值仿真技術應用于傳 統的焊接工藝，利用先進的計算機數 值模擬技術改造傳統的焊接工藝，對 加速我國焊接信息化與工業化的進 程有著非常重要的意義。
焊接模擬技術現狀
焊接數值模擬技術的發展是隨著焊接實踐經驗的積累，有限元數值 模擬技術、計算機技術等的發展而逐 步開始的。焊接工藝的仿真，主要是 針對焊接溫度場、殘余應力、變形等 幾個方面，旨在改善焊接部件的制造 質量，提高產品服役性能，優化焊接 順序等工藝過程。傳統焊接質量的 好壞非常依賴于焊接工人的經驗，而 焊接數值模擬技術就是利用數值模 擬方法找到優化的焊接工藝參數，例 如焊接材料、溫控條件、夾具條件、焊 接順序等。
目前，焊接領域數值模擬的對象 大致有以下幾個方面：
1） 焊接溫度場的數值模擬。其 中包括焊接傳熱過程、熔池 形成和演變、電弧物理現象 等。
2） 焊接金屬學和物理 過程的模擬。包括熔化、凝 固、組織變化、成分變化、晶 粒的長大、氫擴散等。
3） 焊接應力與變形的 數值模擬。包括焊接過程中應力、應變的變化和殘余應力、殘余 應變等。
4） 焊接接頭的力學行為和性 能的數值模擬。包括斷裂、疲勞、力 學不均勻性、幾何不均勻性及組織、 結構、力學性能等。
5） 焊縫質量評估的數值模擬。 包括裂縫、氣孔等各種缺陷的評估及 預測。
6） 具體焊接工藝的數值模擬。 例如電子束焊接、激光焊接、離子弧 焊接、電阻焊等。
常用的焊接數值模擬方法有： 差分法、有限元法和蒙特卡洛法。
展開 使用Abaqus進行焊接模擬工程師指南V2.0
焊接分析介紹
焊接是通過加熱、高溫或高壓將金屬或熱塑性材料接合的工藝，焊接過程中的物理與化學變化直接影響接頭的力學性能，并可能引發應力和變形。傳統的工藝試驗方法難以達到理想效果，因此，越來越多的企業開始采用有限元仿真來分析焊接過程。
焊接技術種類繁多，包括MIG、MAG、TIG焊接、激光焊接、電阻焊和攪拌摩擦焊等，其中電弧焊和激光焊因熱輸入量大，容易產生較為明顯的變形，成為研究重點。
焊接分析中的關鍵問題包括：
熱源定義：焊接熱源具有高斯分布，與普通傳熱分析不同，需要特別處理。熱源路徑：焊接熱源隨時間移動，路徑復雜，不像普通傳熱固定在一個位置。計算效率：熱機耦合分析計算復雜，需要通過優化網格和簡化算法提升效率。
解決這些問題的常用方法是通過Fortran子程序和Python腳本定義熱源和熱源路徑，并在計算中改進網格和算法以提升效率。
熱源模型
焊接熱源模型是用于描述熱輸入在時間和空間上的分布的數學表達，通常用于焊接過程的數值模擬中。熱源模型的選擇和參數設定直接影響模擬結果的精度，尤其是在焊接溫度場、流場、應力和應變的計算中。
焊接熱源模型可以分為靜態熱源模型和動態熱源模型：
靜態熱源模型：假設熱源在焊接過程中不隨時間變化，適用于熱輸入分布較為均勻的情況。這是當前大多數焊接數值模擬中使用的模型。動態熱源模型：熱源在焊接過程中隨時間變化，更加符合實際焊接過程，但增加了計算的難度和時間成本。
在焊接過程的數值模擬中，焊接熱源具有局部集中、瞬時和快速移動的特點，易形成溫度梯度較大的不均勻溫度場，導致焊接應力和應變。
展開 
焊接仿真技術應用與未來發展
焊接是一種歷史悠久的制造工 藝，同時也是應用最廣泛的材料連接 方式之一。我國是鋼鐵產銷大國，同 樣也是焊接應用大國。當前的焊接 應用中還存在很多落后的工藝方式， 將現代焊接數值仿真技術應用于傳 統的焊接工藝，利用先進的計算機數 值模擬技術改造傳統的焊接工藝，對 加速我國焊接信息化與工業化的進 程有著非常重要的意義。
01 焊接模擬技術現狀
焊接數值模擬技術的發展是隨著焊接實踐經驗的積累，有限元數值 模擬技術、計算機技術等的發展而逐 步開始的。焊接工藝的仿真，主要是 針對焊接溫度場、殘余應力、變形等 幾個方面，旨在改善焊接部件的制造 質量，提高產品服役性能，優化焊接 順序等工藝過程。傳統焊接質量的 好壞非常依賴于焊接工人的經驗，而 焊接數值模擬技術就是利用數值模 擬方法找到優化的焊接工藝參數，例 如焊接材料、溫控條件、夾具條件、焊 接順序等。
目前，焊接領域數值模擬的對象 大致有以下幾個方面：
（1） 焊接溫度場的數值模擬。其 中包括焊接傳熱過程、熔池 形成和演變、電弧物理現象 等。
（2） 焊接金屬學和物理 過程的模擬。包括熔化、凝 固、組織變化、成分變化、晶 粒的長大、氫擴散等。
（3） 焊接應力與變形的 數值模擬。包括焊接過程中應力、應變的變化和殘余應力、殘余 應變等。
（4） 焊接接頭的力學行為和性 能的數值模擬。包括斷裂、疲勞、力 學不均勻性、幾何不均勻性及組織、 結構、力學性能等。
（5） 焊縫質量評估的數值模擬。
展開 第七屆全國材料物理模擬和數值模擬學術會議在福州召開
2018年12月5日至8日，由中國機械工程學會材料分會、中國科學院金屬研究所、東北大學、中鋁中央研究院、河南理工大學、先進焊接與連接國家重點實驗室、材料成形與模具技術國家重點實驗室、有色金屬共性技術河南省協同創新中心等八家單位聯合主辦，由中鋁中央研究院東南分院承辦的“第七屆全國材料物理模擬及數值模擬學術會議”在福州市中庚聚龍酒店召開。來自全國各地近三十家高校和科研單位的近150名代表出席了會議。會議由中國工程院王國棟院士、謝建新院士任名譽主席，由俄羅斯自然科學院院士、哈爾濱工業大學牛濟泰教授任大會主席。
會議開幕式由中國科學院金屬研究所楊院生研究員主持。福州市技術開發區管委會唐寅副主任、中鋁中央研究院東南分院院長張廷安教授、中國機械工程學會材料分會胡軍總干事、會議主席牛濟泰教授分別致辭。
開幕式后是大會報告，共有13個大會報告。
展開 comsol TIG電弧數值模擬
本文以文獻結果為基準，采用comsol多物理場模塊，對TIG焊接電弧進行數值模擬。其中引用的方程有電流、磁場、固體和流體傳熱、層流，通過多物理場接口將各個方程聯系起來，構成電弧仿真的基本數學模型。文獻[1]的幾何模型如下所示，其中HI為鎢陽極，DG為陰極，AHIB為陰極，GFED為陽極，HGDCBI為流體域，具體幾何尺寸可參考論文。
采用上述物理模型建立comsol二維軸對稱模型，為了提高計算收斂性，對模型電極做了一定的拉伸，如下圖所示。電流邊界條件設為AB電流200A，FE接地；流場邊界條件設為進氣速度0.4m/s，進氣溫度1000K；流體區域初始溫度設置為10000K，以便提高計算的收斂性。
通過對模擬邊界的設置以及調整求解器相關參數，得到如下結果：
1.磁場強度最大0.03T；
2.溫度最高15000K左右；
3.速度最高150m/s左右；
通過上述仿真，可近似模擬出TIG電弧的溫度場和速度場分布情況，為相關電弧仿真提供一定的借鑒。
[1]基于FLUENT的TIG焊接電弧數值模擬
展開 焊接模擬
焊接是指被焊工件的材質（同種或異種），通過加熱或加壓或兩者并用，并且用或不用填充材料，使工件的材質達到原子間的建和而形成永久性連接的工藝過程。按其工藝過程的特點分有熔焊,壓焊和釬焊三大類。
焊接的數值模擬分為結構和流體兩塊，常見的焊接模擬軟件包括：Sysweld、MARC、ANSYS、ABAQUS、FLOW-3D、FLUENT等。
焊接模擬考慮的因素較多，包括熱傳導、電磁場、激光反射、多相流、自由表面、摩擦攪動等，以求得精確的焊縫形態、深度、強度等結構。
參考資料：http://service.caenet.cn/industry20
展開 基于InteWeld的焊接模擬仿真
[11] 丁林,周永濤,李明喜.T型接頭激光焊接的溫度場和應力場的數值模擬[J].安徽工業大學學學報,2007,24(4):384-388.
[12] 張建,周訓謙.基于Simufact的Q345焊接熱循環主要參數研究[J].電焊機,2015,45(9):167-170.
[13] 高耀東,何建霞,喬云芳.焊接過程有限元分析[J].北京大學學報(自然科學版),2010,46(6):1007-1009.
[14] 陳霽恒,章煒,胡金成.船體焊接殘余應力的數值分析[J].艦船科學技術,2009,31(8):51-54.
[15] 羅宇,朱枳鋒,魯華益.船用大型焊接結構的焊接變形預測實例[J].造船技術,2005(3):34-37.
文章來源：機械工程師
展開 TIG電弧數值模擬
據查閱文獻，TIG電弧一般用Fluent軟件進行數值模擬。由于Fluent軟件主要做流體方面較為擅長，當涉及與磁場和電場的耦合時，即常說的MHD仿真，此時需編寫UDF引入相應的方程。其中，采用UDS引入電勢標量方程，空氣的隨溫度的物性屬性采用UDF宏進行編寫，另外采用源項UDF編寫能量項（焦耳熱等）和動量項（洛侖磁力）。
針對穩態TIG電弧也可采用Comsol進行模擬，在Comsol下面將電場、流場、傳熱、磁場這四大方程耦合起來，通過方程視圖可以看到所引用變量的方程，將這些方程總結起來和Fluent編寫的方程差不多。
采用Comsol軟件與其他論文的結果進行了對比，如下圖所示：
1. 電流參數變化對電弧溫度場和速度場的影響_成滿慶
與文獻對比還是有些差距；
2. 基于Fluent模擬TIG電弧燃燒_彭小飛
3. 基于FLUENT的TIG焊接電弧數值模擬_楊曉鋒
綜上，在二維軸對稱TIG電弧仿真這方面也可采用Comsol。由于Comsol收斂性較差，在電弧仿真過程中經常調節求解器或者邊界條件，以此使計算收斂。
展開 【CAE案例】雙金屬焊接基準數值模擬
01 案例研究背景
工業上眾多的制造和維修業務都涉及到焊接，所以在預測焊接操作所產生的冶金學和力學影響方面有極大的研究價值。
圖1
雙金屬焊接（LBM）是指將有涂層的鐵素體鋼大型構件和EPR管道系統（CPP）中奧氏體不銹鋼管道組合。由于沒有同時適用這兩種材料的焊料，需要一個中間層來增強可焊性，增加焊接強度，減少開裂的概率。
工藝流程包括：倒角的機械加工，中間層焊接，然后進行多道次的連續焊接操作，熱應力消除處理（TTD），最后再次進行機械加工。
圖2
02 研究主旨
MSNS計劃是EDF-CEA-AREVA三方的合作項目。項目通過實驗、建模、數值模擬三個方面來研究焊接，旨在研發一種更簡單，可靠，且不保守的方法，改善現有的標準和模型，使對殘余應力的計算更接近真實情況，提高計算軟件(Code_Aster、SYSWELD、CAST3M）的效率，建立一個良好的案例作為參照。
為此，首先應該更好地了解冷和熱條件下的斷裂機制，然后建立一個能防止出現焊接故障的方法和模型，優化創新的數值計算工具。
本次模擬將采用歐洲ADIMEW項目（評估不同金屬管道焊接老化后的完整性項目）中的雙金屬焊接的基準。ADIMEW的模型參考法國核電站中比較有代表性的V形倒角焊縫，有大量實驗數據支持。
模擬得到的殘余應力曲線將會與合作方的實驗結果相比較。
03 建模
圖3 ADIMEW模型
模擬焊接過程分為三個步驟：
• 計算溫度場
• 在原有溫度場基礎上考慮固液相變
• 計算機械應力場
幾何模型采用2D旋轉對稱模型（圖3），這種簡化方法常用于管件端部焊接。對溫度場計算和機械場計算分別采用了線性網格和二次型網格。
展開 
淺談SYSWELD在焊接中的應用
9 SYSWELD用于焊接數值模擬技術的發展展望
現今焊接數值模擬技術正進入到溫度場、電場、流場、應力應變場、組織模擬的耦合集成階段，它可以解決現在難度較大的專用特性問題，解決焊接缺陷問題。SYSWELD軟件正是體現了這些特點的應用軟件。
數值模擬技術在焊接領域已經得到廣泛應用，各有特點，應在不同場合發揮其優點。焊接數值模擬技術的發展使焊接技術正在發生著由經驗到科學、由定性到定量的飛躍。焊接值模擬技術及進一步發展的虛擬制造技術必將廣泛地應用到焊接技術的研究及生產中，促進了國民經濟建設，推動生產制造的科學化、現代化、自動化進程。
更多優質內容，關注：焊接技術
展開 ANSYS Mechanical在焊接仿真中的應用
ANSYS Mechanical在焊接仿真中的應用
王建
[ 摘 要 ] 焊接作為一個牽涉到電弧物理、傳熱、冶金和力學等各學科的復雜過程，其涉及到的傳熱過程、金屬的融化和凝固、冷卻時的相變、焊接應力和變形等是企業制造部門和設計人員關心的重點問題，采用傳統的經驗方式對于厚鋼板的焊接等特殊工藝無法進行合理的工藝設計，因此本文針對焊接數值模擬的基本理論進行了闡述，同時對于焊接仿真與ANSYS軟件的結合提出了建議，并結合實際情況詳細介紹了ANSYS軟件進行焊接仿真的具體應用技巧，通過采用仿真方式進行模擬，對傳熱過程、焊后應力場進行模擬，用來幫助確定焊接時結構和材料的最佳設計、工藝方法和焊接參數等。
[ 關鍵詞 ] 熱源模型 熱彈塑性有限元法 生死單元 ANSYS
1 前言
焊接作為現代制造業必不可少的工藝，在材料加工領域一直占有重要地位。焊接是一個涉及到電弧物理、傳熱、冶金和力學等各學科的復雜過程，其涉及到的傳熱過程、金屬的融化和凝固、冷卻時的相變、焊接應力和變形等是企業制造部門和設計人員關心的重點問題。焊接過程中產生的焊接應力和變形，不僅影響焊接結構的制造過程，而且還影響焊接結構的使用性能。這些缺陷的產生主要是焊接時不合理的熱過程引起的。由于高能量的集中的瞬時熱輸入，在焊接過程中和焊后將產生相當大的殘余應力和變形，影響結構的加工精度和尺寸的穩定性。因此對于焊接溫度場合應力場的定量分析、預測有重要意義。
傳統的焊接溫度場和應力測試依賴于設計人員的經驗或基于統計基礎的半經驗公式，但此類方法帶有明顯的局限性，對于新工藝無法做到前瞻性的預測，從而導致實驗成本急劇增加，因此針對焊接采用數值模擬的方式體現出了巨大優勢。
ANSYS作為世界知名的通用結構分析軟件，提供了完整的分析功能，完備的材料本構關系，為焊接仿真提供了技術保障。
展開 TIG電弧數值模擬
據查閱文獻，
TIG
電弧一般用
Fluent
軟件進行數值模擬。由于
Fluent
軟件主要做流體方面較為擅長，當涉及與磁場和電場的耦合時，即常說的
MHD
仿真，此時需編寫
UDF
引入相應的方程。其中，采用
UDS
引入電勢標量方程，空氣的隨溫度的物性屬性采用
UDF
宏進行編寫，另外采用源項
UDF
編寫能量項（焦耳熱等）和動量項（洛侖磁力）。
針對穩態
TIG
電弧也可采用
Comsol
進行模擬，在
Comsol
下面將電場、流場、傳熱、磁場這四大方程耦合起來，通過方程視圖可以看到所引用變量的方程，將這些方程總結起來和
Fluent
編寫的方程差不多。
采用
Comsol
軟件與其他論文的結果進行了對比，如下圖所示：
1.
電流參數變化對電弧溫度場和速度場的影響
_
成滿慶
與文獻對比還是有些差距；
2. 基于
Fluent
模擬
TIG
電弧燃燒
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彭小飛
3.
基于
FLUENT
的
TIG
焊接電弧數值模擬
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楊曉鋒
綜上，在二維軸對稱
TIG
電弧仿真這方面也可采用
Comsol
。由于
Comsol
收斂性較差，在電弧仿真過程中經常調節求解器或者邊界條件，以此使計算收斂。
展開 基于sph—fem結點耦合沖擊焊接數值模擬
本文通過Ls-dyna軟件，建立以Johnson-cook 本構關系和Grüneisen 狀態方程為熱塑性流體力學模型，由于完全利用sph算法會大大增加時間成本，最后運用SPH和ALE耦合的方法，并分析了一組關鍵參數沖擊速度、碰撞角度對焊接界面的影響。借此作為實驗指導，減少不要的實驗成本。
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