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——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

熱源校核是通過(guò)比較模擬的熔池邊界與實(shí)際焊縫熔合線的匹配程度來(lái)確定熱源模型的合理性。根據(jù)熱源的作用方式，焊接熱源模型可以分為： 點(diǎn)熱源：熱量集中在一個(gè)點(diǎn)上，適用于小范圍高熱輸入情況。面熱源：熱量分布在一個(gè)面上，適用于較大范圍的焊接過(guò)程。體熱源：熱量分布在一個(gè)體積內(nèi)，用于模擬更復(fù)雜的焊接情形。面熱源和體熱源還可以根據(jù)熱量分布的數(shù)學(xué)形式進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分。

2焊接模擬仿真2.1模型簡(jiǎn)化與網(wǎng)格劃分使用UG對(duì)支撐臂進(jìn)行三維建模，需對(duì)模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，如去掉小孔、倒角等[6]。然后對(duì)支撐臂進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，考慮到零件較大，因此網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)焊縫及熱影響區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化[7]，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的母材網(wǎng)格尺寸設(shè)置略粗，網(wǎng)格劃分如圖4所示。圖形網(wǎng)格總數(shù)約為151萬(wàn)，最小網(wǎng)格精度為2 mm。

熱源模型：選用高斯分布熱源模型：式中：qa為距電弧加熱光斑中心r處的熱源密度；qm為最大熱流值；r為距離電弧斑點(diǎn)中心距離；R為電弧加熱半徑。2.3 氬氣的熱物性參數(shù)TIG熔覆使用氬氣作為保護(hù)氣體，數(shù)值模擬過(guò)程中氬氣的熱物性參數(shù)會(huì)隨溫度發(fā)生較大變化，其相關(guān)物性參數(shù)隨溫度變化曲線如圖3所示。

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。

做有限元仿真，焊接（Welding） 絕對(duì)是公認(rèn)的“硬骨頭”。為什么？因?yàn)樗粌H涉及復(fù)雜的熱-機(jī)耦合，還離不開(kāi)讓無(wú)數(shù)工程師頭禿的Fortran子程序（DFLUX），更別提移動(dòng)熱源、生死單元技術(shù)，以及像攪拌摩擦焊（FSW） 這種涉及大變形的高階分析。 高斯熱源和雙橢球熱源怎么選？ DFLUX子程序里的坐標(biāo)系怎么轉(zhuǎn)換？

熱源使用高斯熱源模型來(lái)模擬焊接過(guò)程中熱輸入的分布，焊接過(guò)程分為兩步，先施加外側(cè)角焊縫熱源，再施加內(nèi)側(cè)角焊縫熱源。具體的時(shí)間控制和熱源設(shè)置都已在K文件中配置完成。外側(cè)焊縫：熱源施加在焊接區(qū)域的外側(cè)，模擬外側(cè)焊縫的加熱過(guò)程。內(nèi)側(cè)焊縫：內(nèi)側(cè)角焊縫的熱源在外側(cè)焊縫施焊完成后施加，以模擬時(shí)間延遲效應(yīng)。4.

<p>近期將在技術(shù)鄰?fù)瞥黾す?em>焊接的有限元模擬視頻教程，歡迎關(guān)注！</p><p>激光焊接的焊縫形貌為窄而深的“釘子狀”，通常使用復(fù)合熱源來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此一般需要進(jìn)行子程序開(kāi)發(fā)。</p><p>下面對(duì)MSC.Marc和ABAQUS的激光焊接模擬進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：</p><ol><li>MSC.Marc：作為大型通用有限元軟件，在焊接模擬方面獨(dú)樹一幟，在很早的版本中就添加了焊接模塊（注意，非插件！！）

焊接速度高。　　焊絲能連續(xù)送進(jìn)，所以得到長(zhǎng)焊縫沒(méi)有中間接頭。　　由于產(chǎn)生的熔渣少，可以降低焊后清理工作量。　　它是低氫焊方法。　　焊接操作簡(jiǎn)單，容易操作和使用。　　缺點(diǎn)及局限性：　　焊接設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格較貴又不便于攜帶。　　因焊qiang較大，在狹窄處的可達(dá)性不好，因此影響保護(hù)效果。　　室外風(fēng)速應(yīng)小于1。5m/s，否則易產(chǎn)生氣孔，所以室外焊接應(yīng)采取主風(fēng)措施。　　

本人長(zhǎng)期從事ABAQUS軟件仿真模擬，擅長(zhǎng)平板焊接（高斯面熱源、高斯體熱源、雙橢球熱源、圓臺(tái)柱熱源等），基于子程序的摩擦攪拌焊接，壓力電阻焊接，子程序二次開(kāi)發(fā)（UEXPAN、USDFLD、UHARD、FILM、DISP、DFLUX、CREEP等），基于子程序的相變模擬，裂縫模擬（應(yīng)力強(qiáng)度因子、J積分等），裂紋擴(kuò)展（XFEM擴(kuò)展有限元、cohesive element、cohesive surface

2、焊縫/熱源尺寸；為了捕獲合理數(shù)量的積分點(diǎn)并具有恒定的瞬態(tài)模擬熱通量，我們通常需要將單元尺寸調(diào)整為熱源尺寸，遵循以下原則：寬度（b）: 2 - 3 單元 (每一邊) 、長(zhǎng)度（af+ar）：3 - 4 單元、深度（d）: 2 - 3 單元；熱源示意圖例如：我們通過(guò)檢查焊縫，發(fā)現(xiàn)其右側(cè)焊腳高度為10mm、左側(cè)焊接高度為15mm，此時(shí)我們可以選擇：1、焊腳為10mm的焊縫

分布情況 高斯熱源的能量分布并非均勻的，而是集中在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)，并以中心為峰值向四周逐漸衰減。這種非均勻的分布特點(diǎn)使其能夠模擬諸如激光焊接、電子束焊接等局部集中加熱的過(guò)程。 應(yīng)用案例 在焊接工藝中，高斯熱源常用于模擬焊接過(guò)程中的熱輸入。

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。

我們?cè)谄矫嬖嚇由线M(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試的變量：焊接能量和試樣寬度，在裂紋狀態(tài)和無(wú)裂紋狀態(tài)變化。高溫和很大的溫度梯度使得變形的測(cè)量異常困難，因此我們用通用結(jié)構(gòu)仿真軟件熱力學(xué)計(jì)算來(lái)分析測(cè)試。

3、攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源。攪拌摩擦焊焊接過(guò)程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀(如帶螺紋圓柱體)的攪拌針伸入工件的接縫處，通過(guò)焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。攪拌摩擦焊在焊接過(guò)程中工件要?jiǎng)傂怨潭ㄔ诒硥|上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對(duì)移動(dòng)。

在 7.9 h 至 24.5 h 之間，由于 6 點(diǎn)鐘方位焊縫中心內(nèi)表面熱電偶(C12'-6)溫度記錄異常，分布規(guī)律與距焊縫中心 65 mm 處相差較大，故只分析24.5 h 之后的數(shù)據(jù)。從圖 14b 可以看出，6 點(diǎn)鐘方位的焊縫中心及距焊縫中心 65 mm 處內(nèi)外壁最大溫差，在 24.5 h 之后變化規(guī)律類似，最大溫差在 18 ℃。

電池包焊接變形預(yù)測(cè)裝配結(jié)構(gòu)需要順序連續(xù)焊接或點(diǎn)焊連接。因此，定義焊接順序和位置對(duì)焊接裝配過(guò)程是很重要的。通過(guò)模擬能夠預(yù)測(cè)焊接順序和位置選擇變形較小的方式，從而有效提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本。Simufact.welding軟件可以精確預(yù)測(cè)焊后變形，為工藝參數(shù)設(shè)定提供前期指導(dǎo)。

（2） 拓展：本方法可延伸至其他激光加工場(chǎng)景（如切割、焊接、表面處理）或材料類型（如金屬、陶瓷），通過(guò)調(diào)整熱源模型與邊界條件實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域應(yīng)用。7、 附件：本案例中的abaqus模型文件（包括cae和激光子程序）

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