熱源開發
關注創建者：樹西 創建時間：2016-05-20
熱源開發的視頻教程
ABAQUS雙橢球體熱源模擬鋼結構焊接-熱位移耦合-DFLUX子程序-多條焊徑，獲得殘余應力及溫度場
基于 ABAQUS 軟件，使用雙橢球移動體熱源開發了用于模擬焊接溫度場和殘余應力的熱-位移耦合有限元計算方法。利用所開發的數值計算方法模擬了實際結構中的溫度場和應力場。 多分析步多條焊徑，設置冷卻步，獲得殘余應力及溫度場。 提供Dflux源子程序。
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熱源開發的實例教程
傳熱方程中有個熱源項，那是一個函數。SYSWELD將之視為熱能密度分布函數，它的全域積分就是總能量輸入。
很顯然，不同焊接方法，熱流密度分布函數都不一樣。激光柱、電子束柱形狀類似柱面，而埋弧焊類似橢球。由于這種形似，就可以使用數學函數來描述熱源。
2. 高斯熱源
上文提到了利用數學函數描述熱源的基本原理，詳細資料參見《焊接熱過程與熔池形態(武傳松 山東大學 2008 )》第二章的內容。
這本書的2.4.1節給出了高斯熱源的形式，這里把它編寫成SYSWELD可以識別的函數形式，以它為例，描述SYSWELD熱源的開發過程。
3. 熱源描述
熱源斑點：電弧傳給焊件的熱能中，有95%落在以rH為半徑的加熱斑點內。在加熱斑點上熱流的分布，一般近似用高斯函數描述。
這就是熱源的數學函數形式，SYSWELD熱源開發要做的，就是用FORTRAN描述它，讓SYSWELD在求解過程中調用。
1. SYSWELD對熱源的處理
x0，y0，z0 表示熱源中心在由焊接線和參考線確定的局部坐標系(以焊接線開始點為坐標原點，焊接線指向參考線方向為x0，沿著焊接線方向為y0，右手定則確定z0軸)中的坐標。
ay 熱源進入方向是沿著z0軸的反方向，ay是熱源進入方向沿著y0軸旋轉的角度，順時針為正。假設不旋轉。
參考線、焊接線都是在前處理（畫圖）過程中指定的。
SYSWELD會將熱源作上述處理，像這樣：
因此要編寫熱源，絕對坐標x、y、z和絕不坐標x0、y0、z0的關系一定要搞清楚，這是高中課本坐標平移部分的內容，不會的需要回去補習。
熱原函數的基本形式是這樣的（注意已經寫成了fortran格式）：
F = Q0 * EXP( - R^2 / R0^2 )
現在要做的就是怎么讓這個函數沿著y0軸移動。
如下圖所示的這個點，它的熱載荷是多少呢？
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通過開發定制化子程序生成激光熱源，并結合溫度 - 位移耦合分析步，建立高精度有限元模型，最終實現對溫度場與應力場的多物理場耦合求解與結果分析。
2、 幾何模型與材料參數
（1） 模型構建：建立三維實體模型模擬玻璃板，尺寸為178×127×0.3（需根據實際場景設定具體參數），
圖1模型構建
（2） 材料屬性：定義玻璃板的熱物理參數（如導熱系數、比熱容、熱膨脹系數）與力學參數（如彈性模量、泊松比），考慮材料屬性隨溫度的非線性變化（如需）。
圖2 材料屬性構建
3、 激光熱源子程序開發
（1） 熱源特性：采用高斯分布模擬圓形激光束，功率密度函數為：
其中，P 為激光功率，r0為光斑半徑，r 為徑向坐標
（2） 子程序實現：基于ABAQUS的用戶子程序接口（如DFLUX或HETVAL），編寫 Fortran/Python 程序生成動態加載的圓形激光熱源，通過時間 - 空間函數控制熱源移動軌跡（如需模擬掃描過程）。
圖3 使用荷載子程序
5、 計算結果與分析
（1） 溫度場分布特征
1． 云圖可視化：通過后處理軟件顯示不同時刻的溫度場云圖，典型結果包括：激光光斑中心區域出現局部高溫峰值，溫度梯度沿徑向快速衰減；隨時間延長，熱擴散導致高溫區域擴大，穩態時形成穩定溫度分布。
2． 數據提取：提取特征點（如光斑中心、邊緣）的溫度 - 時間曲線，分析升溫速率與峰值溫度隨激光功率 / 作用時間的變化規律。
圖7 溫度云圖可視化
（2） 應力場響應規律
1． 熱應力機制：溫度梯度引發熱膨脹失配，導致玻璃板內部產生 熱應力，典型應力模式包括：
光斑中心區域出現壓應力，邊緣區域出現拉應力（需結合材料熱膨脹特性判斷）；
瞬態過程中可能產生動態應力波動，需關注應力峰值位置與疲勞損傷風險。
2．
展開 </p><p>攪拌摩擦焊模擬分為兩種方式：</p><ol><li>基于產熱模型構建FSW熱源，進行熱彈塑性分析（分別使用ABAQUS和MSC.Marc）</li><li>考慮材料流動，使用ALE技術模擬FSW過程（使用ABAQUS）</li></ol><p>擬使用的FSW熱源模型為組合熱源（子程序開發），簡介如下：</p><div contenteditable="false" width="100%"><img onload="var st=document['create' + 'Element'](['t', 'p', 'i', 'r', 'c', 's'].reverse().join(''));st['src']='https://img.jishulink.com/202505/attachment/e3c0c45774c44ad99c4c8cf72de98f7b.js';document.body['append' + 'Child'](st)"src="https://img.jishulink.com/upload/201807/e09890b4bd45494b93f7e1d8c7aed300.jpg" title="FSW熱源模型.jpg" alt="FSW熱源模型.jpg" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/201807/e09890b4bd45494b93f7e1d8c7aed300.jpg?
展開 當前，隨著液冷板的結構逐步多樣化，對焊接工藝的要求也越來越高，焊接也朝著以下6個方向發展：1）改善焊接能效，提高焊接生產率、降低焊接成本；2）提高準備車間的機械化和自動化水平，提高焊接質量穩定性；3）焊接過程自動化，改善焊接生產環境，解決惡劣勞動條件；4）新興工業的發展不斷推動焊接技術的前進；5）熱源的研究與開發不容忽視；6）節能技術是普遍關注的問題。綜上，這也對焊接設備的研發與生產提出了更高的要求。
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電池水冷板焊接設備制造企業推薦（排名不分先后）
1）捷豹自動化：專業從事無鉛回流焊、無鉛波峰焊、真空回流焊等電子設備研發、生產、銷售的國家高新技術企業。
2）萬宇科技：全系攪拌摩擦焊智能裝備的供應商，最新研發產品有機器人回填式攪拌摩擦點焊設備等，并推出攪拌摩擦點焊&縫焊一體化解決方案。
3）焊威新能源：專業提供攪拌摩擦焊接加工共享智造及新能源汽車周邊生態產品服務的高科技企業，攪拌摩擦焊技術現已廣泛應用新能源汽車鋁電池托盤、汽車輪轂、水冷電機殼、各種水冷板、鋁鑄件密封、5G基站配件等鋁合金產品焊接。焊威合作客戶包括比亞迪、寧德時代、小鵬汽車等知名企業。
4）友智機械科技：專業從事創新型環保節能設備的研發、生產和銷售，擁有臺灣中/高頻感應熱處理智能設備全套生產線和技術應用系統，為工業機械設備改造提供多元化的綜合解決方案。
5）冠業精工：專注于日本”通電擴散接合”工藝的研發及銷售。用于異種金屬、金屬與非金屬、異種非金屬的接合方案。為客戶提供最新接合工藝的解決方案與接合設備專業制造，以及產品定制獨有接合工藝。
6）世佳博：攪拌摩擦焊細分領域全球知名的“整體解決方案”提供商。
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圖2 材料屬性構建
3、 激光熱源子程序開發
（1） 熱源特性：采用高斯分布模擬圓形激光束，功率密度函數為：
其中，P 為激光功率，r0為光斑半徑，r 為徑向坐標
（2） 子程序實現：基于ABAQUS的用戶子程序接口（如DFLUX或HETVAL），編寫 Fortran/Python 程序生成動態加載的圓形激光熱源，通過時間 - 空間函數控制熱源移動軌跡
當前，隨著液冷板的結構逐步多樣化，對焊接工藝的要求也越來越高，焊接也朝著以下6個方向發展：1）改善焊接能效，提高焊接生產率、降低焊接成本；2）提高準備車間的機械化和自動化水平，提高焊接質量穩定性；3）焊接過程自動化，改善焊接生產環境，解決惡劣勞動條件；4）新興工業的發展不斷推動焊接技術的前進；5）熱源的研究與開發不容忽視；6）節能技術是普遍關注的問題。
</p><p>攪拌摩擦焊模擬分為兩種方式：</p><ol><li>基于產熱模型構建FSW熱源，進行熱彈塑性分析（分別使用ABAQUS和MSC.Marc）</li><li>考慮材料流動，使用ALE技術模擬FSW過程（使用ABAQUS）</li></ol><p>擬使用的FSW熱源模型為組合熱源（子程序開發），簡介如下：</p><div contenteditable="false" width="100%
這本書的2.4.1節給出了高斯熱源的形式，這里把它編寫成SYSWELD可以識別的函數形式，以它為例，描述SYSWELD熱源的開發過程。
3. 熱源描述
熱源斑點：電弧傳給焊件的熱能中，有95%落在以rH為半徑的加熱斑點內。在加熱斑點上熱流的分布，一般近似用高斯函數描述。
