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基于ANSYS的多層堆疊模塊焊接殘余應(yīng)力分析及選材優(yōu)化 張 彥，許 典，趙希芳 ( 南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)摘 要：分析了某多層堆疊模塊的焊接殘余應(yīng)力，討論了各功能層不同選材、焊接順序?qū)δK殘余應(yīng)力的影響，并給出了優(yōu)化方案。

這些相變不僅影響材料的力學(xué)性能，還會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力的形成產(chǎn)生重要影響。Marc軟件通過(guò)引入相變動(dòng)力學(xué)模型（如JMAK模型和K-M模型），能夠準(zhǔn)確模擬相變過(guò)程及其對(duì)殘余應(yīng)力的影響。重慶大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，對(duì)SH-CCT圖進(jìn)行了人工修正，進(jìn)一步提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。3、高效的熱-力學(xué)耦合分析焊接過(guò)程中的熱-力學(xué)行為是相互耦合的，溫度場(chǎng)的變化會(huì)影響應(yīng)力場(chǎng)的分布，反之亦然。

這些相變不僅影響材料的力學(xué)性能，還會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力的形成產(chǎn)生重要影響。Marc軟件通過(guò)引入相變動(dòng)力學(xué)模型（如JMAK模型和K-M模型），能夠準(zhǔn)確模擬相變過(guò)程及其對(duì)殘余應(yīng)力的影響。重慶大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，對(duì)SH-CCT圖進(jìn)行了人工修正，進(jìn)一步提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。3、高效的熱-力學(xué)耦合分析 焊接過(guò)程中的熱-力學(xué)行為是相互耦合的，溫度場(chǎng)的變化會(huì)影響應(yīng)力場(chǎng)的分布，反之亦然。

——科研到工程：Abaqus Goldak 雙橢球 + FROM FILE 實(shí)現(xiàn)可復(fù)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果（含 Goldak 熱源 DFLUX ）適用人群：做焊接/鍵合殘余應(yīng)力/變形預(yù)測(cè)、增材制造熱-力場(chǎng)分析的工程師與研究生代碼環(huán)境：Abaqus/CAE 2019（Python 2.7），Abaqus/Standard（DFLUX Fortran 子程序）本文提供 兩個(gè)腳本（Abaqus/CAE

焊接殘余應(yīng)力是焊接技術(shù)帶來(lái)的一個(gè)幾乎無(wú)法避免的缺陷，其危害眾所周知。焊后熱處理是一種消除焊接殘余應(yīng)力常用的方法。工程上主要采用退火處理，退火溫度越高、保溫時(shí)間越長(zhǎng)，消除焊接殘余應(yīng)力的效果就越好。但是溫度過(guò)高，使工件表面氧化比較嚴(yán)重，組織可能發(fā)生轉(zhuǎn)變，影響工件的使用性能，存在弊端。

焊接殘余應(yīng)力分析 消除焊接應(yīng)力的方法 一、什么是焊接應(yīng)力

02通過(guò)Digimat-MAP的工藝映射功能，將接頭焊接工藝過(guò)程的殘余應(yīng)力結(jié)果映射到結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格上（Digimat-MAP也支持將變形場(chǎng)和溫度場(chǎng)的映射），最終導(dǎo)出映射完成的殘余應(yīng)力關(guān)鍵字。03耦合結(jié)構(gòu)仿真分析軟件MSC Nastran，通過(guò)istress關(guān)鍵字引入焊接殘余應(yīng)力完成最終結(jié)構(gòu)分析，從而考慮焊接殘余應(yīng)力的影響。

采用Simufact Welding，工程師們能夠復(fù)現(xiàn)擺臂的焊接過(guò)程，并獲得焊接殘余應(yīng)力。通過(guò)結(jié)合疲勞分析和基于Simufact Welding得到的結(jié)果——焊接殘余應(yīng)力，開(kāi)裂問(wèn)題可以成功重現(xiàn)。為減少焊接殘余應(yīng)力和關(guān)鍵接頭的焊接變形，工程師將焊接順序進(jìn)行了調(diào)整，并將改進(jìn)后的焊接工藝在Simufact Welding中進(jìn)行了分析。

圖7 06 計(jì)算結(jié)果 圖8 計(jì)算效率結(jié)果 07 結(jié)論與展望 本次案例對(duì)有多道次焊接的雙管道連接工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好，且對(duì)三方計(jì)算得到的殘余應(yīng)力進(jìn)行了質(zhì)量比較；殘余應(yīng)力變化趨勢(shì)良好。 對(duì)于該模擬還可以繼續(xù)改進(jìn)，比如引入大變形假設(shè)，固態(tài)硬化修復(fù)，相變，機(jī)械加工，對(duì)材料進(jìn)行更真實(shí)的建模。

利用數(shù)值模擬研究焊接應(yīng)力及變形問(wèn)題，就要考慮到焊接過(guò)程中產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和應(yīng)力差場(chǎng)，可以掌握應(yīng)力分布規(guī)律和焊接變形規(guī)律，從而合理的選擇焊接工藝，更好的控制殘余應(yīng)力和變形，以提高生產(chǎn)效率和焊接構(gòu)件的質(zhì)量。焊接模擬中存在的問(wèn)題雖然有限元分析在經(jīng)過(guò)了多年的發(fā)展取得了很大的進(jìn)步，但是實(shí)際焊接構(gòu)件中，尤其是大型的焊接構(gòu)件中仍然存在很多問(wèn)題。

通過(guò)CAE仿真軟件對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬，可以精確模擬材料機(jī)械、物理和冶金過(guò)程中的性能變化過(guò)程和結(jié)果，從而獲得整個(gè)焊接過(guò)程中的金相組織變化、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)、硬度等信息，工藝人員可以通過(guò)這些結(jié)果信息，對(duì)焊接工藝參數(shù)和工藝方案進(jìn)行優(yōu)化，提高焊接質(zhì)量，更進(jìn)一步為產(chǎn)品的變形分析和殘余應(yīng)力分析等提供相應(yīng)的理論支撐。

電池包殘余應(yīng)力預(yù)測(cè)模擬焊接過(guò)程的目標(biāo)是控制焊接過(guò)程使應(yīng)力梯度和表面拉應(yīng)力更小，因此載荷循環(huán)結(jié)束后裂紋出現(xiàn)的更少，部件的壽命增加。另外還可以在部件表面出現(xiàn)壓應(yīng)力，有助于改善部件質(zhì)量避免由于拉應(yīng)力造成的腐蝕危險(xiǎn)。采用Simufact有限元仿真軟件，可以通過(guò)優(yōu)化工藝來(lái)減少焊后殘余應(yīng)力。