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

Marc軟件采用先進的熱-力學耦合分析方法，通過在有限元網格中實時更新溫度場和應力場，能夠準確模擬焊接過程中的熱-力學行為。重慶大學的研究團隊通過這一方法，成功預測了焊接接頭的殘余應力分布，并與實驗結果高度一致。4、精確的網格劃分和邊界條件設置為了確保計算結果的準確性，Marc軟件提供了靈活的網格劃分功能，用戶可以根據焊接接頭的幾何形狀和復雜程度，自定義網格密度和分布。

焊接過程中焊件中產生的內應力和焊接熱過程引起的焊件的形狀和尺寸變化。 焊接過程的不均勻溫度場以及由它引起的局部塑性變形和比容不同的組織是產生焊接應力和變形的根本原因。當焊接引起的不均勻溫度場尚未消失時，焊件中的這種應力和變形稱為瞬態(tài)焊接應力和變形；焊接溫度場消失后的應力和變形稱為殘余焊接應力和變形。在沒有外力作用的條件下，焊接應力在焊件內部是平衡的。

焊接過程是一個高度非線性的理化反應過程，焊接熔池和溫度場的分布描述復雜，在ANSYS數值模擬中，通常將熱源簡化為具有一定分布規(guī)律的熱流密度函數來用于計算。 在管道焊接中，采用熔化極惰性氣體保護焊的焊接工藝。在ANSYS溫度分析過程中采用高斯面熱源模型。其在焊接厚度方向上不考慮熱量梯度，適用于焊接熔深較小的表面堆焊焊接熱量和電弧熱在工件表面上的熱量分布情況。

Marc軟件采用先進的熱-力學耦合分析方法，通過在有限元網格中實時更新溫度場和應力場，能夠準確模擬焊接過程中的熱-力學行為。重慶大學的研究團隊通過這一方法，成功預測了焊接接頭的殘余應力分布，并與實驗結果高度一致。4、精確的網格劃分和邊界條件設置 為了確保計算結果的準確性，Marc軟件提供了靈活的網格劃分功能，用戶可以根據焊接接頭的幾何形狀和復雜程度，自定義網格密度和分布。

溫度場與應力場分析通過對熱源施加順序的設置，我們分析了焊接過程中的溫度場和應力場：溫度場：外側焊縫施焊后，焊接區(qū)域溫度迅速升高，形成明顯的溫度梯度；內側焊縫由于延時施焊，溫度場的上升較慢，但仍然能夠觀察到焊接區(qū)域的熱影響。應力場：由于溫度變化引起的熱膨脹與收縮，產生了焊接熱應力。

本文重點就焊接機器人定位精度和焊接工藝參這兩方面的內容進行展開，詳細介紹ANSYS的相關仿真應用案例以及具體的仿真流程方法。

Simufact Welding可以模擬多種焊接工藝過程Simufact Welding可以進行變形量、應力場及溫度場等信息的動態(tài)顯示，包括焊接過程中任意節(jié)點的溫度、變形、變形分量、熱應力、應力分量等結果。

為什么要做焊接/鍵合熱-力耦合？焊接/鍵合是強非線性、強非穩(wěn)態(tài)的多物理場過程：移動熱源瞬時把能量輸入到極小體積，熱擴散與對流/輻射把能量帶走，材料在不同溫度區(qū)間內經歷彈性–塑性–循環(huán)硬化乃至回復。

Ansys中的溫度場仿真還是很多模塊的，如下圖所示 ANSYS Workbench中的溫度場仿真還是很多模塊的，ANSYS Workbench 中用于溫度場計算的核心模塊包括穩(wěn)態(tài)熱分析（Steady-State Thermal）、瞬態(tài)熱分析（Transient Thermal）、Fluent（流體傳熱）、Electrothermal（熱電耦合）、Thermal-Structural

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

結構熱力學分析則關注材料在熱載荷下的行為，包括熱膨脹和熱應力。</p><p>電磁場分析功能為電氣和電子系統的設計和優(yōu)化提供了強大的工具，而耦合場分析能力則允許工程師研究多個物理場之間的相互作用，這對于解決實際工程問題尤為關鍵。

03 建模 圖3 ADIMEW模型 模擬焊接過程分為三個步驟： &bull; 計算溫度場 &bull; 在原有溫度場基礎上考慮固液相變 &bull; 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。