ANSYS的全焊接球阀焊接过程的温度场分析
基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究
基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究一、本文概述随着现代工业技术的飞速发展，焊接作为一种重要的连接工艺，在航空、汽车、船舶、石油化工等领域的应用日益广泛。
然而，焊接过程中产生的温度场和应力场对焊接结构的性能有着至关重要的影响。
为了深入理解焊接过程中的热-力行为，预测焊接结构的变形和残余应力，进而优化焊接工艺参数和提高产品质量，本文旨在利用ANSYS有限元分析软件，对焊接过程中的温度场和应力场进行数值模拟研究。
本文首先简要介绍了焊接数值模拟的意义和现状，包括焊接数值模拟的重要性、国内外研究现状和存在的问题等。
随后，详细阐述了ANSYS 软件在焊接数值模拟中的应用，包括其基本原理、分析流程、模型建立、参数设置等方面。
在此基础上，本文以某典型焊接结构为例，详细阐述了焊接温度场和应力场的数值模拟过程，包括模型的建立、边界条件的设定、求解参数的选择、结果的后处理等。
对模拟结果进行了详细的分析和讨论，验证了数值模拟方法的准确性和可靠性，为实际工程应用提供了有益的参考。
本文的研究不仅有助于深入理解焊接过程中的热-力行为，为优化焊接工艺参数和提高产品质量提供理论支持，同时也为ANSYS软件在焊接数值模拟领域的应用推广和进一步发展奠定了基础。
二、焊接理论基础焊接是一种通过加热、加压或两者并用，使两块或多块金属在原子层面结合形成永久性连接的工艺过程。
焊接过程涉及复杂的物理和化学变化，包括金属的熔化、凝固、相变以及应力和变形的产生等。
因此，深入了解焊接过程的理论基础对于准确模拟焊接过程中的温度场和应力分布至关重要。
焊接过程中，热源将能量传递给工件，导致工件局部快速升温并熔化。
熔池形成后，随着热源的移动，熔池中的液态金属逐渐凝固形成焊缝。
焊接热源的类型和移动速度、工件的材质和厚度等因素都会影响焊接过程的温度场分布。
为了准确模拟这一过程，需要了解各种热源模型（如移动热源模型、体积热源模型等）及其适用范围，并选择合适的模型进行数值模拟。
毕业论文使用ANSYS有限元分析软件对不锈钢与紫铜焊接过程温度场应力场分布模拟
三、由于在焊接过程中不锈钢管和紫铜管应力分布有很大的不同，因此在冷却结束后两管会产生不同的体积变化。这对于焊缝是不利的，同时也会使焊件不符合焊接前的尺寸公差，导致零件报废。建议焊前对焊件采取反应力、反变形措施。
Firstly, because the heat transferring of copper is faster than stainless steel, so temperature field distribution of thin-walled stainless steel and coppertubesduring the welding process is extremely uneven. Thismayleads to molten inconsistency of base metal on both sides and may cause poor weldseam. It is recommended that the welding arc isslightly partial to copper, in case oftheexcessive heating of stainless steel.
Thirdly, due to the large difference of stress distribution between stainless steel tube and copper tube during the welding process, different volume changes are produced in two tubes at the end of cooling. This is detrimental to the welding seam and also leads to unfitness of dimensional tolerances of welding parts, resulting in scrapping of welding parts. It is recommended that anti-stress and anti-distortion measures should be adopted before welding.
ANSYS在焊接温度场数值模拟中的应用
第24卷 第1期 邢台职业技术学院学报 V ol.24No.1 2007年2月 Journal of Xingtai Polytechnic College Feb. 2007 ANSYS在焊接温度场数值模拟中的应用王新彦，高军芳，刘兵群（邢台职业技术学院机电系，河北邢台054035）摘要：目前数值模拟技术已广泛应用于各生产研究领域，ANSYS是一种被广泛应用的有限元数值模拟软件，本文阐述了ANSYS在焊接温度场数值模拟中的几个应用技巧，合理使用这些技巧可以缩短模拟过程的时间，提高模拟精度。
关键词：ANSYS；数值模拟；应用技巧中图分类号：TP15;TG40 文献标识码：A 文章编号：1008—6129（2007）01—0054—03目前，在工程领域内常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元法、离散元法和无限元法等，其中，发展最成熟，应用最广泛的是有限元法。
随着有限元技术的发展与应用，以及近年来由于计算机技术的突飞猛进，目前已经有了不少优秀的有限元计算分析软件，其中ANSYS, ABAQUS, ADINA, NASTRAN, MARC, SYSWBLD等可供焊接工作者选用。
不同软件处理问题的侧重点有所不同，在这些软件中，美国ANSYS公司的产品是一个涵盖最多工程领域的FEM软包。
该产品在结构分析、热分析、流体分析、电及电磁场分析方面都非常成功，目前已广泛应用于航天、汽车工业、生物医学、桥梁建筑、电子产品、重型机械等领域。
在实际的应用中，作者发现应用ANSYS软件时，任一环节的错误操作或遗漏都可能导致错误的结果，甚至退出计算。
要想保证软件能按照用户的思路运行。
除掌握了它的使用性能外，还需要一些技巧，本文阐述了几个重要的用ANSYS软件解决焊接温度场模拟问题的应用技巧，希望能对使用ANSYS研究焊接温度场的同行有所帮助。
一、ANSYS建模技术在焊接结构中，焊接接头处焊件的形状一般是长方体、圆柱体、空心圆柱体（管）等规则的形体，建模时采用自上而下的方法直接创建最高级的图元，当用户定义了一个体素时，程序会自动定义相关的面、线、和关键点。
基于ANSYS的焊接过程模拟分析方法研究
基于ANSYS的焊接过程模拟分析方法研究作者：安超来源：《数字技术与应用》2013年第02期摘要：本文探讨了利用ANSYS软件对焊接过程进行模拟的分析方法。
通过实例计算得到了焊接过程中的温度场、应力场分布，对焊接模拟过程进行了验证。
关键词：ANSYS 焊接温度场应力场中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0064-02随着现代计算机技术的广泛应用，焊接生产信息化已成为大势所趋。
利用计算机技术对焊接过程进行模拟，可以深入研究焊接过程的本质规律，使焊接技术更加科学化。
通过计算机技术模拟复杂的焊接过程，可以有效防止焊接缺陷的发生，对提高焊接质量有重大意义。
ANSYS是全球最通用的大型有限元分析软件之一，在CAE仿真分析中发挥着重要作用。
其界面友好、功能强大，可以有效模拟焊接的非线性过程。
因此，ANSYS软件在焊接过程模拟分析中得到了广泛的应用。
1 ANSYS分析方法焊接温度场问题，可以看作是在一定初始条件和边界条件下，工件内部的热传导问题。
对于一个实体，当不同部位的温度存在差异时，热量就会发生流动从而形成热导。
热传导过程符合傅里叶热导方程：（1）式中、、分别为x、y、z三个方向上的热导系数，是单位体积热生成率。
求解过程必须考虑边界和初始条件，温度场边界条件分三种类型：（1）第一类边界条件：物体在某些边界上的温度函数为已知，即：（2）式中是边界温度，它可以随位置和时间变化。
（2）第二类边界条件：物体某些边界上的热流密度为已知。
（3）式中为边界外法线方向，为边界上的热流密度，物体向外流为正。
（3）第三类边界条件：物体在某些边界上的对流条件为已知。
（4）式中是对流系数，是流体参照温度。
2 关键问题的处理2.1 高斯移动热源焊接热源具有局部集中、瞬时、快速移动的特点，很容易形成不均匀的温度场。
这种不均匀的温度场，是形成焊接残余应力和变形最根本的原因。
因此，建立焊接热源模型对焊接温度场的模拟尤为重要。
基于ANSYS的焊接参数对其温度场的影响分析
基于ANSYS的焊接参数对其温度场的影响分析发表时间：2009-6-2 作者: 李乡武来源: e-works关键字: CAE ansys 焊接温度场本文使用ansys研究了平板堆焊中，焊接速度和高斯有效热源半径对其焊接温度场的影响。
经过计算表明：焊接速度越快，平板在焊接过程中的最高温度越低；热源有效半径越小，平板在焊接过程中的最高温度越高。
这一结论对焊接优化控制参数有着重要的指导意义。
1 引言焊接温度场的准确计算或测量，是焊接冶金分析和焊接应力、应变热弹塑性动态分析的前提。
关于焊接热过程的分析，苏联科学院的助Rykalin院士对焊接过程传热问题进行了系统的研究，建立了焊接传热学的理论基础。
为了求热传导微分方程的解，他把焊接热源简化为点、线、面三种形式的理想热源，且不考虑材料热物理性质随温度的变化以及有限尺寸对解的影响。
实际上焊接过程中除了包含由于温度变化和高温引起的材料热物理性能和变化而导致传热过程严重的非线性外，还涉及到金属的熔化、凝固以及液固相传热等复杂现象，因此是非常复杂的。
由于这些假定不符合焊接的实际情况，因此所得到的解与实际测定有一定的偏差，尤其是在焊接熔池附近的区域，误差很大，而这里又恰恰是研究者最为关心的部位。
本文利用ansys建立了平板焊接的三维模型，并研究焊接速度和高斯热源的有效半径对其温度场的影响。
为实际的焊接工程了提供了一定的指导意义。
2 模型建立与计算讨论模型尺寸为100mm×50mm×6mm，材料为20号钢，电弧沿焊件中心移动。
由于模型的对称性，本文只选取半模型进行计算，其有限元模型图图1所示。
图1 平板焊接的有限元模型图2 有限元模型中考察的点本文使用solid70单元来模拟焊接过程的动态温度场，为了提高计算的精度又要节省计算时间，在靠近焊缝中心处即从焊缝中心到距离其5mm的区域内网格控制在1mm，然后其网格密度一次减小；在厚度方向划分为两层。
计算参数：焊接的电压U=20；焊接电流I=160；热效率为0.7。
焊接ANSYS后处理-全
焊接过程ANSYS后处理一、读取云图二、将云图变为等温线再刷新改变等温线上字母的密度，然后刷新三、找最高温度点General postproe →query results→subgrid solu→ok→Max四、移动工作坐标系Workplane→offset wp to→Node+→(箭头指向最高温度点点一下) →okWorkplane→offset wp by/increments→degrees→(拖动到90)点击→ok可以换不同的视图直到看清熔深熔宽右视图六、 找出1200℃范围的颜色Plotctrls→style→contours→uniform contours→number of contours→2→点中user specified→输入min为20max为1200调整横线颜色Plotctrls→style→color→contous colors→调整MIN和MAX的颜色方便测量七，横截面（不能在上次做过纵截面的基础上做，这样坐标系转的不对,建议运行完，后处理前先复制一份整个文件夹）Workplane→offset wp by increments→degree→将角度拖到90°→点击→ok八、测量熔深熔宽将上图用microsoft office picture manager 打开，没有这个软件的上网下载点菜单栏的编辑文件→再点右侧的剪裁出现如下画面，注意在右侧出现分辨率，这是长乘宽的分辨率，也就是你截的图的长和宽然后剪裁图片，为了减小误差，可将图片放大到400%如图然后将图片的上下两边剪裁到与工件的宽的上下边重合，此时记住图片宽的分辨率再测量熔深、熔宽的分辨率，方法如上，剪裁图片可知熔宽的分辨率为69可知熔深的分辨率为12然后计算熔深，熔宽可知材料的尺寸为200*50*5（我不确定我计算的材料尺寸是对的，还没来得及验证，但方法是这样）宽的分辨率上面测得372,熔深为12，熔宽为69，材料的宽为50那么可计算熔深/熔深的分辨率=宽/宽的分辨率可得熔深=宽*熔深分辨率/宽分辨率=50*12/372熔宽也是如上方法测量。
基于ANSYS的某焊接件两焊缝在顺序焊接过程中的分析(生死单元应用案例)
基于ANSYS的某焊接件两焊缝在顺序焊接过程中的分析（生死单元应用案例）焊接几何模型如下图所示，左右两侧90度扇区为焊接材料，其余为钢板材料。
其他更多已知条件请参考命令流，这里不再赘述。
网格单元本实例中顺序焊接分为如下步骤：第一步0-1秒：右侧焊接稳态分析（杀死左焊缝，施加右焊缝温度和焊接件参考温度）第二步1-100秒：相变分析（删除温度载荷，施加对流热传导）第三步100-1000秒：右侧焊缝凝固分析第四步1000-1001秒：激活左侧焊缝单元进行稳态分析（施加左焊缝温度）第五步1001-1100秒：左焊缝相变分析第六步1100-2000秒：左侧焊缝凝固分析第七步：结果后处理ANSYS命令流：FINISH/FILNAME,Exercise ! 定义隐式热分析文件名/PREP7 ! 进入前处理器ET,1,SOLID70 ! 选择8节点实体热分析单元MP,KXX,1,.5e-3MP,C,1,.2MP,DENS,1,.2833MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000MPDATA,ENTH,1,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 ! 定义右焊缝材料热物理性能MP,KXX,2,.5e-3MP,C,2,.2MP,DENS,2,.2833MP,KXX,3,0.5e-3 ! 定义两块钢板的热物理性能MP,DENS,3,.2833MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000MPDATA,ENTH,3,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 ! 定义左焊缝材料热物理性能BLOCK,-0.17,0.17,0,0.34,0,1.2BLOCK,0.17,0.34,0,0.34,0,1.2BLOCK,0.34,1,0,0.34,0,1.2BLOCK,-0.17,0.17,0.34,0.51,0,1.2BLOCK,-0.17,0.17,0.51,1.34,0,1.2WPAVE,0.17,0.34,0CYLIND,0.17,0,0,1.2,0,90WPAVE,0,0,0CSYS,0FLST,3,3,6,ORDE,3FITEM,3,2FITEM,3,-3FITEM,3,6VSYMM,X,P51X, , , ,0,0 ! 建立焊接件的几何模型VGLUE,ALL ! 粘接各体VSEL,S,,,10VATT,1,1,1 ! 附于右焊缝的材料属性VSEL,S,,,1VSEL,A,,,12,17,1VATT,2,1,1 ! 附于两块钢板的材料属性VSEL,S,,,11VATT,3,1,1 ! 附于左焊缝的材料属性ALLSEL,ALLESIZE,0.05 ! 定义单元划分尺寸VSWEEP,ALL ! 划分单元ESEL,S,MAT,,3TOFFST,460 ! 定义温度偏移量!第一步：稳态分析EKILL,ALL ! 杀死左焊缝单元ALLSEL,ALL/SOLUANTYPE,TRANS ! 定义瞬态分析类型TIMINT,OFF ! 关闭时间积分ESEL,S,MAT,,1NSLE ! 选择右焊缝节点D,ALL,TEMP,3000 ! 施加右焊缝初始温度载荷NSEL,INVE ! 选择其它节点D,ALL,TEMP,70 ! 施加初始温度载荷TIME,1 ! 定义求解时间KBC,0 ! 设置为斜坡载荷SOLVE ! 求解!第二步：右侧焊缝相变分析（1到100秒)DDELE,ALL,TEMP ! 删除温度载荷TIMINT,ON ! 打开时间积分TINTP,,,,1 ! 定义瞬态积分参数TIME,100 ! 定义求解时间DELTIME,1,.5,10 ! 定义时间子步AUTOTS,ON ! 打开自动时间开关KBC,1 ! 设置为阶越载荷OUTRES,ERASEOUTRES,ALL,ALL ! 设置结果输出ASEL,S,EXTASEL,U,LOC,Y,0SFA,ALL,,CONV,5E-5,70 ! 施加对流换热载荷ALLSEL,ALLSOLVE ! 求解!第三步：右侧焊缝凝固分析（100到1000秒)TIME,1000 ! 定义求解时间DELTIME,50,10,100 ! 定义时间子步AUTOTS,ON ! 打开自动时间开关SOLVE ! 求解!第四步：激活左侧焊缝单元进行分析（1000到1001秒) EALIVE,ALL ! 激活左侧焊缝单元ALLSEL,allESEL,S,MAT,,3NSLE ! 选择左焊缝节点D,ALL,TEMP,3000 ! 施加左焊缝初始温度载荷TIME,1001 ! 定义求解时间DELTIME,1,1,1 ! 定义时间子步ALLSEL,ALLSOLVE ! 求解!第五步：左侧焊缝相变分析（1001到1100秒) DDELE,ALL,TEMP ! 删除温度载荷TIME,1100 ! 定义求解时间DELTIME,1,.5,10 ! 定义时间子步SOLVE ! 求解!第六步：左侧焊缝凝固分析（1100到2000秒) TIME,2000 ! 定义求解时间DELTIME,100,10,200 ! 定义时间子步SOLVE ! 求解!第七步：后处理/POST1 ! 进入通用后处理器SET,,,,,1, , ! 读取1秒中分析结果PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示1秒钟后焊接件的温度分布SET,,,,,100, , ! 读取100秒中分析结果PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示100秒钟后焊接件的温度分布SET,,,,,1000, , ! 读取1000秒中分析结果PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示1000秒钟后焊接件的温度分布SET,,,,,1001, , ! 读取1001秒中分析结果PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示1001秒钟后焊接件的温度分布SET,,,,,1100, , ! 读取1100秒中分析结果PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示1100秒钟后焊接件的温度分布SET,,,,,2000, , ! 读取2000秒中分析结果PLNSOL, TEMP,, 0 ! 显示2000秒钟后焊接件的温度分布/POST26 ! 进入时间历程后处理器NSOL,2,4727,TEMP,, TEMP_2STORE,MERGENSOL,3,4752,TEMP,,TEMP_3STORE,MERGENSOL,4,4808,TEMP,,TEMP_4STORE,MERGENSOL,5,4833,TEMP,,TEMP_5STORE,MERGENSOL,6,4883,TEMP,,TEMP_6STORE,MERGENSOL,7,4908,TEMP,,TEMP_7STORE,MERGENSOL,8,5088,TEMP,,TEMP_8STORE,MERGENSOL,9,5308,TEMP,, TEMP_9STORE,MERGE ! 定义焊接件某些位置8个节点的时间温度变量/AXLAB,X,TIME/AXLAB,Y,TEMPERATURE ! 更改坐标轴标识/XRANGE,0,2000 ! 设定横坐标轴范围PLVAR,2,3,4,5,6,7,8,9, ! 绘制8节点温度随时间的变化曲线温度结果显示1秒时：100秒时：1000秒时：1001秒时：1100秒时：2000秒时：关键点温度变化曲线关键点位置分布：关键点与曲线对应情况：NSOL,2,4727,TEMP,,TEMP_2NSOL,3,4752,TEMP,,TEMP_3NSOL,4,4808,TEMP,,TEMP_4NSOL,5,4833,TEMP,,TEMP_5NSOL,6,4883,TEMP,,TEMP_6NSOL,7,4908,TEMP,,TEMP_7NSOL,8,5088,TEMP,,TEMP_8NSOL,9,5308,TEMP,,TEMP_9关键点温度变化曲线：从该图中可以明显看到：离焊接热影响区域距离较远的关键点温升较小，距离较近的关键点温升较大。
ANSYS软件在焊接传热学教学中的应用
ANSYS软件在焊接传热学教学中的应用摘要:焊接传热学是焊接专业的主要基础理论之一,由于其内容复杂、抽象,教师教学及学生学习时都存在较大的困难。
本文以焊接温度场、焊接热循环以及焊接热过程的有限元求解等三个焊接传热学的重点概念为实例引入ANSYS软件进行辅助教学。
发现通过在焊接传热学教学中引入ANSYS软件进行辅助,可提高学生的学习兴趣,使得学生加深对焊接传热学相关理论的了解和认识。
关键词:焊接传热学ANSYS软件教学温度场热循环焊接传热学,就是研究被焊材料受热之后热的传播和分布的有关规律,它是决定焊接质量和焊接生产率的重要因素。
这是由于焊接热过程贯穿整个焊接过程的始终,包括被焊材料的加热、熔化、冶金反应、结晶、组织转变等,并且焊接各部位受不均匀加热及冷却,也会造成不均匀的应力状态,产生不同程度的应力变形和形变,严重焊接质量,同时焊接热过程也决定了母材及焊材的溶化速度,也决定着焊接生产率。
因此针对焊接热过程开展的焊接传热学教学受到焊接及相关专业的广泛重视,是焊接专业的主要基础理论之一。
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元分析软件,可广泛用于航空航天、机械制造、能源、汽车交通、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。
软件主要包括三个部分:前处理模块,分析计算模块和后处理模块。
前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,用户可以方便地构造有限元模型;分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析,可模拟多种物理介质的相互作用,具有灵敏度分析及优化分析能力;后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来,也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。
截至目前国内外学者利用ANSYS软件针对焊接热过程已开展了大量的研究。
焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析报告
焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析1.1 焊接变形与焊接应力焊接时，加热和冷却循环总会导致一定程度的变形，焊接变形对尺寸稳定性以与结构力学性能都有很大的影响，控制焊接变形在焊接加工中是一个关键的任务。
在钢结构焊接中，焊接工艺会使构件温度场产生不均匀变化，从而在构件中产生复杂的剩余应力分布。
剩余应力是一种自相平衡的力系，当构件承受荷载时，如受拉、受压等，荷载引起的应力将与截面剩余应力相叠加，从而使构件某些部位提前达到屈服强度，并发生塑性变形，故会严重降低构件的刚度和稳定性以与结构疲劳强度。
对构件进展焊接，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1600℃，高温区的钢材会发生较大程度的膨胀伸长，但受到相邻钢材的约束，从而在焊件内引起较高的温度应力，并在焊接过程中，随时间和温度而不断变化，称其为焊接应力。
焊接应力较高的部位，甚至将达到钢材的屈服强度而发生塑性变形，因而钢材冷却后将有残存于焊件内的应力，称为焊接剩余应力。
并且在冷却过程中，钢材由于不能自由收缩，而受到拉伸，于是焊件中出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。
1.2 Ansys有限元焊接分析为通过对焊接过程的三维有限元模拟分析以与焊接后构件变形与剩余应力分布分析，为评估焊接对焊件的影响提供更加合理、有效、可靠的分析数据，并为焊接工艺提供一定的指导，为采用的焊接过程提供一定的分析依据，采用大型有限元计算软件Ansys作为分析工具对焊接过程与焊件的变形与剩余应力进展了分析。
ANSYS有2种方式来考虑热分析与力学分析之间的耦合,即直接耦合和间接耦合。
间接耦合法的处理思路为先进展温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接剩余应力与变形。
即：(1)使用热分析的手段进展热分析，根据需要可采用瞬态分析与稳态分析模型，此处为瞬态分析。
(2)重新进入前处理中,将热分析单元转换为相应的结构分析单元，设置结构分析中材料属性,如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。
基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究
基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究摘要：本文通过使用ANSYS仿真软件，针对焊接过程中的温度场和应力进行了数值模拟研究。
首先，对焊接过程进行了理论分析，分析了焊接过程中的热传导、热传递和热辐射等因素对焊接温度场的影响。
然后，利用ANSYS软件对三维焊接模型进行了建模，并对焊接过程进行了数值模拟，得到了焊接过程中的温度场和应力分布。
最后，通过对模拟结果的分析和讨论，总结了焊接温度场和应力分布的特点，并提出了一些改进措施，以提高焊接过程的质量和效率。
一、引言焊接作为常用的结合工艺，广泛应用于制造业和建筑业等领域。
在焊接过程中，温度场和应力分布的研究对于保证焊接接头的质量和可靠性非常重要。
传统的试验方法需要大量的时间和成本，而且难以观察到焊接过程中的内部情况。
因此，使用数值模拟方法对焊接过程进行研究具有重要意义。
二、焊接温度场的理论分析焊接过程中的温度场受到多种因素的影响，包括热传导、热传递和热辐射等。
热传导是由于焊接电弧产生的热量在焊缝和近场区域内的传递。
热传递是由于焊接电弧产生的热量在远场区域内的传递。
热辐射是由于高温熔池表面辐射的热量在焊接过程中的传递。
在理论分析中，需要考虑这些因素对温度场的影响，并建立相应的数学模型。
三、焊接温度场的数值模拟为了研究焊接过程中的温度场，我们使用ANSYS软件对三维焊接模型进行建模，并对焊接过程进行数值模拟。
首先，我们需要确定焊接材料的物理参数和边界条件。
然后，我们建立焊接模型，并进行网格划分。
接下来，我们通过设置焊接电弧的功率和时间来模拟焊接过程。
最后，我们得到了焊接过程中的温度场分布。
四、焊接应力场的理论分析焊接过程中的应力分布受到多种因素的影响，包括热应力、冷却应力和残余应力等。
热应力是由于焊接过程中的温度差异引起的，冷却应力是由于焊接材料的收缩引起的，残余应力是由于焊接材料的变形引起的。
在理论分析中，需要考虑这些因素对应力场的影响，并建立相应的数学模型。
基于某ANSYS的焊接过程模拟分析报告(含命令流)
基于ANSYS的某焊件两焊缝在顺序焊接过程中分析(含命令流)目录一、前言 (3)二、基本方法 (3)三、条件 (3)四、物理性能表 (3)五、基本数据 (4)六、分析结果 (4)七、附录： (4)一、前言本文是对一焊件两个焊缝的凝固过程的温度场进行分析，焊缝及两钢板的材料为钢。
二、基本方法使用有限元分析方法并且使用ANSYS分析软件。
采用三维八节点热分析SOLID70单元，利用生死单元技术，对两个焊缝连续凝固的过程进行分析，本分析分6步进行，首先杀死一个焊缝的所有单元，进行稳态分析，得到温度的初始条件；进行瞬态分析，分析右焊缝的液固相变的转换过程；进行瞬态分析，分析右焊缝的凝固过程；激活焊缝的所有单元，进行短时间的瞬态分析，得到温度初始条件；进行瞬态分析，分析左焊缝的液固相变的转换过程；进行瞬态分析，分析左焊缝的凝固过程。
分析时，采用英制单位。
三、条件初始条件：焊接件的温度为70℉，焊缝的温度为3000℉。
对流边界条件：对流系数0.00005 Btu/(s·in2·℉)，空气温度70℉。
四、物理性能表五、基本数据底板尺寸：2in×1.2in×0.34in上板尺寸：1in×1.2in×0.34in焊角尺寸：R=0.17in六、分析结果根据以上的有限元模型，完成对焊件的稳态分析，焊缝相变分析，焊缝凝固分析后，得到温度分布图，见附录。
七、附录：分析模型：网格化分：温度分布图（1s）：温度分布图（2s）：温度分布图（100s）：温度分布图（1000s）：温度分布图（1001s）：温度分布图（1100s）：温度分布图（2000s）：焊接过程中温度随时间变化曲线图：命令流：FINISH/FILNAME,QMH/PREP7ET,1,SOLID70MP,KXX,1,.5e-3MP,C,1,.2MP,DENS,1,.2833MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000 MPDATA,ENTH,1,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 MP,KXX,2,.5e-3MP,C,2,.2MP,DENS,2,.2833MP,KXX,3,.5e-3MP,C,3,.2MP,DENS,3,.2833MPTEMP,1,0,2643,2750,2875,3000 MPDATA,ENTH,3,1,0,128.1,163.8,174.2,184.6 BLOCK,-0.17,0.17,0,0.34,0,1.2BLOCK,0.17,0.34,0,0.34,0,1.2BLOCK,0.34,1,0,0.34,0,1.2BLOCK,-0.17,0.17,0.34,0.51,0,1.2 BLOCK,-0.17,0.17,0.51,1.34,0,1.2 WPAVE,0.17,0.34,0CYLIND,0.17,0,0,1.2,0,90WPAVE,0,0,0CSYS,0FLST,3,3,6,ORDE,3FITEM,3,2FITEM,3,-3FITEM,3,6VSYMM,X,P51X,,,,0,0VGLUE,ALLVPLOT,ALL VATT,1,1,1 VSEL,S,,,1 VSEL,A,,,12,17,1 VATT,2,1,1 VSEL,S,,,11 VATT,3,1,1 ALLSEL,ALL ESIZE,0.05 VSWEEP,ALL ESEL,S,MAT,,3 TOFFST,460 EKILL,ALL ALLSEL,ALL/SOLU ANTYPE,TRANS TIMINT,OFF ESEL,S,MAT,,1 NSLED,ALL,TEMP,3000 NSEL,INVED,ALL,TEMP,70KBC,0ALLSEL,ALLSOLVEDDELE,ALL,TEMP TIMINT,ON TINTP,,,,1TIME,100 DELTIME,1,0.5,10 AUTOTS,ONKBC,1OUTRES,ERASE OUTRES,ALL,ALL ASEL,S,EXTASEL,S,EXTASEL,U,LOC,Y,0 SFA,ALL,,CONV,5E-5,70 ALLSEL,ALLSOLVETIME,1000 DELTIME,50,10,100 AUTOTS,ONEALIVE,ALL ALLSEL,ALL ESEL,S,MAT,,3 NSLED,ALL,TEMP,3000 TIME,1001 DELTIME,1,1,1 ALLSEL,ALL SOLVEDDELE,ALL,TEMP TIME,1100 DELTIME,1,0.5,10 SOLVETIME,2000 DELTIME,100,10,200 SOLVE/POST1 SET,,,,,,,1 PLNSOL,TEMP,,0 SET,,,,,,,25 PLNSOL,TEMP,,0PLNSOL,TEMP,,0SET,NEXTPLNSOL,TEMP,,0 SET,,,,,,,58PLNSOL,TEMP,,0 SET,,,,,,,64PLNSOL,TEMP,,0/POST26NSOL,2,4727,TEMP,,TEMP_2 STORE,MERGENSOL,3,4752,TEMP,,TEMP_3 STORE,MERGENSOL,4,4808,TEMP,,TEMP_4 STORE,MERGENSOL,5,4833,TEMP,,TEMP_5 STORE,MERGENSOL,6,4883,TEMP,,TEMP_6 STORE,MERGENSOL,7,4908,TEMP,,TEMP_7 STORE,MERGENSOL,8,5088,TEMP,,TEMP_8STORE,MERGENSOL,9,5308,TEMP,,TEMP_9 STORE,MERGE/AXLAB,X,TIME/AXLAB,Y,TEMPERATURE /XRANGE,0,2000 PLVAR,2,3,4,5,6,7,8,9/EXIT,NOSAV。
基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究
武汉理工大学硕士学位论文基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究姓名：谢元峰申请学位级别：硕士专业：机械制造及其自动化指导教师：肖汉斌20060401茎堡望三查兰堡主兰焦垒奎——————————————＿－＿——＿————————————●——－－＿＿＿＿＿——————————————————————一中，对流系数这一参数它综合体现了焊接过程外界环境因素的影响。
３．２．２焊接速度在实际焊接操作过程中，焊接速度是影响焊接质量的一个重要的工艺参数，它虽然由焊接工艺本身确定，但在利用ＡＮＳＹＳ进行有限元分析时，这一参数对模拟结果有着重要的影响。
对于同样的焊接热源加载形式，由于所采用的焊接速度的不同，导致了焊接能量的差异，进而影响到焊接温度场的分布。
以下几种不同的速度下的焊接温度场分布状况。
图３．５焊接速度ｖ一０．００８Ⅱｌ／ｓ电弧有效半径ｒ＝０．００６ｍ时的温度场分布云图图３．６焊接速度ｖ＝０．０１ｍ／ｓ电弧有效半径ｒ＝０．００６ｍ时的温度场分布云图些堡里三盔兰堡主堂垡垒奎通过上图３．５和图３．６可以看出，采用相同的焊接热物理参数，当焊接热源的功率一定时，改变焊接速度，等温线的范围也随之发生变化，焊接速度增加，等温线的范围变小，在焊缝横截面方向上温度梯度大，故而温度场变得细长，焊缝区温度下降。
３．２．３电弧有效半径在ＡＮＳＹｓ中进行焊接热过程模拟时，焊接电弧有效半径的大小对模拟结果的精确性有着直接的影响。
电弧有效半径与前章介绍的高斯分布热源有着密切关系，是指加载热源所形成的有效圆形作用区域的半径。
下面是本试件在三种不同电弧有效半径时得温度场分布云图。
（其它参数相同）从上图３．７～图３．９中可以看到，三种不同的电弧有效半径，最高温度相差７４８℃。
可见采用不同的电弧有效半径面对焊接温度场的影响很大，焊接半径越小，热量相对集中，焊接区域的温度越高，则焊接熔池的熔深变大，但熔宽变小；反之亦然。
图３．７电弧有效半径ｒ；０．０５焊接速度Ｖ＝Ｏ．００８ｍ／ｓ时的温度云图武汉理工大学硕士学位论文图３－８电弧有效半径ｒ＝Ｏ．０６焊接速度ｖ＝０．００８州ｓ时的温度云图图３—９电孤有效半径ｒ＝Ｏ．０７焊接速度ｖ＝Ｏ．００８ｍ，ｓ时的温度云图３．３温度场、应力的求解通过前面的建模和确定热源模型，接下来介绍温度场和应力场的求解过程。
运用ANSYS对焊缝残余应力及温度场分析
（ 4） 通过对异种材料钢铜连接处的铝焊缝的数 值模拟，能 够 比 较 直 观 地 显 示 残 余 应 力 分 布，为 焊 后热处理工艺提供指导。
参考文献
3 结论
通过 有 限 元 软 件 ANSYS 中 生 死 单 元 技 术 和 热 － 结构耦合技术［4］，对异种材料钢铜连接处的铝 焊缝进行了焊接过程中的温度场模拟，并得出过程 中温度场的分布情况，同时将温度场作为载荷施加 在结构中，进 而 得 出 过 程 中 的 应 力 分 布 情 况，由 以 上计算结果及后处理得出以下结论：
同时对于 钢、铜、铝 材 料 各 个 温 度 下 的 材 料 密 度、泊松比、传热系数、线膨胀系数、比热容，设定为 常数，如表 2 所示。
160
科学技术与工程
11 卷
表 2 钢、铜、铝的物理常数
材料密度 材料
/ （ kg·m － 3 ）
传热系数 / 线膨胀系数 比热容 /
泊松比 ［w·（ m － 1 · / （ 1·℃ － 1 ） （ kg·℃ ）
图 4 焊接过程中内部应力的分布情况
（ 3） 图 5 为选取的节点 1、节点 2、节点 16、节点 23、节点 36 的温度随时间变化历程图，节点 1 是钢板 与焊料铝交界边界线的上端，节点 16 位于焊缝低端，
图 5 温度随时间变化曲线
图 6 残余应力随时间变化曲线
2． 2 焊接残余应力分析 焊接后，焊缝处的残余应力是引起开裂故障的
GAO Ming-bao，LI Shi-yun，ZOU Yun-he
（ Department of Mechanical and Electronic Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，P． R． China）
基于ANSYS的L型焊接件温度场分析
10.16638/ki.1671-7988.2018.14.046基于ANSYS的L型焊接件温度场分析张树丽，郭忠，柳丹，李月琳（烟台大学机电汽车工程学院，山东烟台264000）摘要：焊接过程中热源的局部集中、快速移动容易产生不均匀的温度场，导致局部区域产生比较大的焊接应力和变形。
文章基于ANSYS有限元软件，采用生死单元法着重研究焊接温度场的变化，分析焊接试件的温度分布情况，为进一步讨论焊接应力场奠定基础。
关键词：焊接温度场；ANSYS；生死单元中图分类号：U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2018)14-120-03Analysis of temperature field of L type welding parts based on ANSYSZhang Shuli, Guo Zhong, Liu Dan, Li Yuelin( School of mechanical and electrical engineering, Yantai University, Shandong Yantai 264000 )Abstract: In the process of welding, the local concentration and rapid movement of heat source are easy to produce uneven temperature field, which leads to relatively large welding stress and deformation in the local area. Based on the ANSYS finite element software, this paper uses the method of life and death unit to study the change of the welding temperature field and analyze the temperature distribution of the welded specimen, which lays the foundation for further discussion of the welding stress field.Keywords: welding temperature field; ANSYS; the method of life and death unitCLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)14-120-03引言目前一些大型化器械及其钢框结构常用到焊接结构，焊接是通过加热或者加压等方式将工件连接到一起，其连接性能好、设计灵活、生产效率高；但是焊接工艺的特点决定了焊接处强度较低，易产生疲劳损伤，因此研究焊缝温度场具有重要意义[1-3]。
ANSYS Mechanical在焊接仿真中的应用详细解析
ANSYS Mechanical在焊接仿真中的应用详细解析1 前言焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。
焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学等各学科的复杂过程，其涉及到的传热过程、金属的融化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等是企业制造部门和设计人员关心的重点问题。
焊接过程中产生的焊接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。
这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。
由于高能量的集中的瞬时热输入，在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力和变形，影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。
因此对于焊接温度场合应力场的定量分析、预测有重要意义。
传统的焊接温度场和应力测试依赖于设计人员的经验或基于统计基础的半经验公式，但此类方法带有明显的局限性，对于新工艺无法做到前瞻性的预测，从而导致实验成本急剧增加，因此针对焊接采用数值模拟的方式体现出了巨大优势。
ANSYS作为世界知名的通用结构分析软件，提供了完整的分析功能，完备的材料本构关系，为焊接仿真提供了技术保障。
文中以ANSYS为平台，阐述了焊接温度场仿真和热变形、应力仿真的基本理论和仿真流程，为企业设计人员提供了一定的参考。
2 焊接数值模拟理论基础焊接问题中的温度场和应力变形等最终可以归结为求解微分方程组，对于该类方程求解的方式通常为两大类：解析法和数值法。
由于只有在做了大量简化假设，并且问题较为简单的情况下，才可能用解析法得到方程解，因此对于焊接问题的模拟通常采用数值方法。
在焊接分析中，常用的数值方法包括：差分法、有限元法、数值积分法、蒙特卡洛法。
差分法：差分法通过把微分方程转换为差分方程来进行求解。
对于规则的几何特性和均匀的材料特性问题，编程简单，收敛性好。
但该方法往往仅局限于规则的差分网格（正方形、矩形、三角形等），同时差分法只考虑节点的作用，而不考虑节点间单元的贡献，常常用来进行焊接热传导、氢扩散等问题的研究。
ansys焊接平板温度分析分解
ANSYS 操作实例问题描述某一平板由钢板和铁板焊接而成，焊接材料为铜，平板尺寸为1*1*0.2，横截结构如图1所示，平板初始温度为800℃，将平板放置于空气中进行冷却，周围空气温度为30℃，对流系数为110W/（2m·℃）。
求10分钟后平板内部的温度场及应力分布。
图 1材料温度℃弹性模量Gpa屈服强度Gpa切变模量Gpa导热系数W/(m·℃)线膨胀系数℃1-比热容J/(kg·℃)密度Kg/3m泊松比钢30 206 1.40 20.666.6 1.06e-5 460 7800 0.3 200 192 1.33 19.8400 175 1.15 18.3600 153 0.92 15.6800 125 0.68 11.2铜30 103 0.9 10.3383 1.75e-5 390 8900 0.3 200 99 0.85 0.98400 90 0.75 0.89600 79 0.62 0.75800 58 0.45 0.52铁30 118 1.04 1.1846.55.87e-645070000.3200 109 1.01 1.02 400 93 0.910.86 600 75 0.76 0.69 800520.560.51表1 材料性能参数求解步骤第一步：建立工作文件名1、选择utility menu/file/change jobname 命令，出现 change jobname 对话框，在文本框中输入工作文件名thermal ，如图2所示单击ok 按钮关闭对话框。
图 22、选择main menu/prefercens 命令，弹出对话框，做如图3改动图 3第二步：定义单元类型1、选择main menu/preprocessor/element type/add/edit/delete 命令2、单击add按钮，在生成对话框中分别选择couple field、vector quad 13,单击ok，如图4所示图 43、单击element type对话框上的options按钮，出现plane13 element type options 对话框，在element degree of freedom k1下拉列表中选择ux uy temp az选项，其余采用默认值，单击ok，如图5所示图 54、单击element type对话框上的add，在出现的对话框中分别选择couple field、scalar brick5选项，单击ok，如图6所示图 65、单击element type对话框中的close按钮，关闭对话框第三步：定义材料性能参数1、选择main menu/ preprocessor / material props /material models 命令2、在出现的对话框中依次双击thermal、conductivity、isotropic选项，在出现的对话框中输入导热系数66.6，单击ok，如图7所示图73、依次双击structral、thermal expansion、secant coefficient、isotropic选项，在出现的ALPX文本框中输入线膨胀系数1.06e-5，单击ok如图8所示图84、依次双击structral、density选项，在dens文本框中输入密度7800，单击ok，如图9所示5、依次双击thermal、specific heat选项，在C文本框中输入比热460，单击ok，如图10所示图106、依次双击structral、linear、elastic、isotropic选项，在出现的对话框中单击add temperature按钮4次，如图11所示设置，单击ok图117、依次双击structral、nolinear、inelastic、rate independent、kinematic hardening plasticcity、mises plasticty、bilinear选项，在出现的对话框中单击add temperature 按钮4次，如图12所示设置，单击ok图128、在define material model behavior对话框中选择material/new model命令，在define material id文本框中输入2，单击ok9、依次双击thermal、conductivity、isotropic选项，在出现的对话框中输入导热系数383，单击ok10、依次双击structral、thermal expansion、secant coefficient、isotropic选项，在出现的ALPX文本框中输入线膨胀系数1.75e-5，单击ok11、依次双击structral、density选项，在dens文本框中输入密度8900，单击ok12、依次双击thermal、specific heat选项，在C文本框中输入比热390，单击ok13、依次双击structral、linear、elastic、isotropic选项，在出现的对话框中单击add temperature按钮4次，如图13所示设置，单击ok图1314、依次双击structral、nolinear、inelastic、rate independent、kinematic hardening plasticcity、mises plasticty、bilinear选项，在出现的对话框中单击add temperature 按钮4次，如图14所示设置，单击ok图1415、在define material model behavior对话框中选择material/new model命令，在define material id文本框中输入3，单击ok16、依次双击thermal、conductivity、isotropic选项，在出现的对话框中输入导热系数46.5，单击ok17、依次双击structral、thermal expansion、secant coefficient、isotropic选项，在出现的ALPX文本框中输入线膨胀系数5.87e-6，单击ok18、依次双击structral、density选项，在dens文本框中输入密度7000，单击ok19、依次双击thermal、specific heat选项，在C文本框中输入比热450，单击ok20、依次双击structral、linear、elastic、isotropic选项，在出现的对话框中单击add temperature按钮4次，如图15所示设置，单击ok图1521、依次双击structral、nolinear、inelastic、rate independent、kinematic hardening plasticcity、mises plasticty、bilinear选项，在出现的对话框中单击add temperature 按钮4次，如图16所示设置，单击ok图1622、在define material model behavior对话框中选择material/exit命令，关闭该对话框第四步：创建几何模型、划分网格1、选择main menu/preprocessor/moeling/create/keypints/in active CS命令，在出现的NPT keypoints number文本框中输入关键点编号1，在X，Y，Z location in active CS 文本框中依次输入关键点坐标0、0、02、单击apply ，依次输入一下关键点编号和坐标：2（0.5,0,0）；3（1,0,0）；4（0,0.2,0）；5（0.4,0.2,0）；6（0.6,0.2,0）；7（1,0.2,0）；3、选择main menu/preprocessor/modeling/create/areas/arbitrary/through KPs 命令，在出现的菜单文本框中输入1,2,5,4，单击apply，在文本框中输入2,3,7,6，单击ok4、选择utility menu/workplane/change active CS to/Global Cylindrical命令，将当前激活坐标系转变为柱坐标系5、选择main menu/preprocessor/modeling/create/lines/lines/in Active Coord命令，在出现的菜单文本框中输入6,5，单击ok6、选择Utility Menu/PlotCtrls/Numbering命令，在出现的菜单中选择Line numbers和Area numbers选项，使其由OFF变为ON，单击ok7、选择main menu/preprocessor/meshing/mesh/areas/arbitrary/By Lines命令，在出现的菜单文本框中输入2,8,9，单击ok8、选择Utility Menu/plot/areas命令，窗口显示生成的平面几何模型，如图17所示图179、选择main menu/preprocessor/meshing/size cntrls/manua size/global/size命令，在出现的菜单SIZE element edge length文本框中输入0.05，单击ok如图18所示图1810、选择main menu/preprocessor/meshing/mesh/areas/mapped/3or4 sided命令，在出现的菜单文本框中输入1,2,3，单击ok11、选择Utility Menu/plot/elements命令，显示窗口显示网格划分结果，如图19所示图1912、选择main menu/preprocessor/meshing/size cntrls/manua size/global/size命令，将SIZE element edge length文本框中输入0.05删掉，在NDIV NO.of element divisions 文本框中输入10，单击ok现Element Extrusion Options对话框，在【type】下拉列表中选择2 solid5，在【MAT】下拉列表中选择1，其余不做改动，单击ok，如图20所示图2014、选择main menu/preprocessor/modeling/operate/extrude/areas/along normal命令，在出现的Extrude Area by菜单文本框中输入1，单击ok，出现Extrude Area along normsl 对话框，在NAREA文本框中输入1，在DIST文本框中输入1，单击ok，如图21所示图21现Element Extrusion Options对话框，在【MAT】下拉列表中选择3，其余不做改变，单击ok，如图22所示图2216、选择main menu/preprocessor/modeling/operate/extrude/areas/along normal命令，在出现的Extrude Area by菜单文本框中输入2，单击ok，出现Extrude Area along normsl 对话框，在NAREA文本框中输入2，在DIST文本框中输入1，单击ok17、选择main menu/preprocessor/modeling/operate/extrude/elem ext opts命令，出现Element Extrusion Options对话框，在【MAT】下拉列表中选择2，其余不做改变，单击ok18、选择main menu/preprocessor/modeling/operate/extrude/areas/along normal命令，在出现的Extrude Area by菜单文本框中输入3，单击ok，出现Extrude Areaalong normsl 对话框，在NAREA文本框中输入3，在DIST文本框中输入-1，单击ok19、拖拉面生成结果如图23所示图23 拖拉生成结果第五步：加载求解1、选择main menu/solution/analysis type/new analysis 命令，出现new analysis 对话框，选择分析类型为transient，如图24所示，单击ok，出现transient analysis 对话框，采用full设置，如图25所示，单击ok图24图252、选择main menu/solution/load step opts/time-frenquenc/time integration/amplitude decay命令，出现time integeration controls 对话框，进行如图26所示设置，单击ok图263、选择main menu/solution/analysis type/sol’n controls 命令，出现solution controls对话框，选择basic选项卡，参照图27进行设置；选择transient选项卡，参照图28进行设置，单击ok图27图284、选择main menu/solution/define loads/apply/structural/temperature/uniform temp 命令，出现uniform temperature 对话框，如图29进行设置，单击ok图295、选择utility menu/select/entities命令，出现select entities对话框，在第1个下拉列表中选择Areas，第2个下拉列表中选择By num/pic 选项，点击Unselect 选项，单击ok，出现Unselect areas 菜单，在文本框中输入6,13，单击ok关闭该菜单6、选择Utility menu/select/entities 命令，出现select entities对话框，在第1个下拉列表中选择Nodes，第2个下拉列表中选择Attached to 选项,在第3个选项中点击Areas,all选项，并选中From Full 选项，单击ok关闭此菜单7、选择Main menu/solution/define loads/apply/thermal/convection/on nodes命令，在出现的菜单中单击Pick all，出现Apply CONV on nodes 对话框，如图30进行设置，单击ok关闭此对话框图308、选择Utility Menu/select/everything命令9、选择Main Menu/solution/solve/Current LS 命令，出现Solve Current Load Step对话框，单击ok，ANSYS开始求解计算第六步：查看求解结果1、选择Manu Menu/general postproc/read results/last Set命令2、选择Manu Menu/general postproc/plot results/contour plot/nodal solu 命令，出现Contour Nodal Solution Data对话框，选择Node Solution/DOF Solution/Nodal Temperature,单击ok，ANSYS显示窗口显示温度场分布等值线图，如图31所示图31 温度等值线图3、选择Manu Menu/general postproc/plot results/contour plot/nodal solu 命令，出现Contour Nodal Solution Data对话框，依次选择Node Solution/DOF Solution/X、Y、Z-Compenent of displancement 选项，单击ok，便可以在ANSYS显示窗口查看X、Y、Z方向上的位移场分布等值线图，如图32、33、34所示图32 X方向位移等值线图图33 Y方向位移等值线图图34 Z方向位移等值线图4、选择Manu Menu/general postproc/plot results/contour plot/nodal solu 命令，出现Contour Nodal Solution Data对话框，依次选择Node Solution/Stress/X、Y、Z-Compenent of stress 选项，单击ok，便可以在ANSYS显示窗口查看X、Y、Z 方向上的应力场分布等值线图，如图35、36、37所示图35 X方向应力等值线图图36 Y方向应力等值线图图37 Z方向应力等值线图5、选择Manu Menu/general postproc/plot results/contour plot/nodal solu 命令，出现Contour Nodal Solution Data对话框，选择Node Solution/Stress/von Mises stress 选项，单击ok，便可以在ANSYS显示窗口查看等效应力场分布等值线图，如图38所示图38 等效应力等值线图6、选择Utilty Menu/File/Exit命令，出现Exit from ANSYS对话框，选中Quit-save everything,单击ok，关闭ANSYS。
基于ANSYS平台的不同焊接工艺参数对管线钢焊接温度场的模拟研究
●试验与研究基于ANS Y S平台的不同焊接工艺参数对管线钢焊接温度场的模拟研究张 宏,陈 鹏(西南交通大学焊接研究所,成都610031)摘 要:针对管线钢焊接,根据材料热物理性能参数、相变潜热与温度的非线性关系,建立了焊接过程的数学模型和物理模型。
利用ANSYS软件的AP DL语言编写程序,实现了在移动热源载荷下的焊接有限元计算,分析对比了不同焊接工艺参数对焊接温度场的影响程度。
关键词:管线钢;有限元;焊接温度场;AP DL中图分类号:TG402 文献标识码:A 文章编号:1001-3938(2007)02-0033-03 焊接热过程的准确计算是焊接冶金定量计算、焊接应力应变分析和焊接过程自动化控制的前提。
焊接热过程取决于外加热源的分布形式、材料的热物理性能以及材料与周围的换热等因素。
经典的雷卡林公式以点、线、面分布热源来模拟各种焊接热源,有一定的局限性。
焊接过程数值模拟的早期研究一直停留在二维水平上,近年来,随着计算机技术和有限元技术的发展,焊接过程三维数值模拟的研究成为该领域的研究前沿。
但是由于焊接过程的复杂性,焊接过程的三维数值模拟仍停留在以典型接头作为研究对象,在实际应用中有较大的局限性。
影响数值模拟技术在实际生产中应用的主要原因是计算时间过长或计算精度不高,这主要是下列因素造成的[1]:①焊接结构三维模型中自由度数目庞大;②严重的材料非线性导致求解过程的收敛困难;③高温区的存在使得控制数值模拟的精度和稳定性存在一定的困难;④缺乏材料的高温热物理参数。
笔者针对以上问题对管线钢三维焊接温度场进行了数值模拟,得出了管线钢焊接过程的温度场和热循环曲线,分析对比了不同焊接工艺参数对焊接温度场的影响程度。
1 焊接温度场数学模型的建立三维非线性瞬态热传导问题的控制方程为[2]cρ5T5t=55xλ5T5x+55yλ5T5y+55zλ5T5z+Q,(1)式中:ρ为材料的密度;λ,c为材料的导热系数和比热容,它们都是温度的函数;Q为内热源强度。
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越高， 焊接 时产 生 的残余应 力也 越大 。 同时 ， 由于阀
门中存 在橡胶 密封件 ， 也要 考 虑焊接 时温 度 的分 布 ，
以免其 受焊 接 温 度 影 响 而 性 能 降低 。因 此 ， 卜 有
度 场进行 了模 拟计 算 ， 算结 果 逼 近 实体 工件 焊 接 计
收 稿 日期 ：２ １－８１ ０ １０—２
３ 焊 接 过 程 的 数 值 分 析
焊 接是 一 个局 部 快 速加 热 到高 温 ， 随后 快 速 并
冷 却 的过程 。随着 热 源 的 移动 ， 个 焊 件 的温 度 随 整 时间 和空 间急剧 变化 ， 料 的热 物理 性 能 也 随温 度 材
Ｓ ＡＷ ， 其他 焊接 参数 见表 １ 。
表 １ 球 阀焊 接 参 数
场 和应 力场 分布 规 律 进行 研 究 ， 以便 为实 际 生 产 做
出科 学 的指 导 。
２ 焊 接 分 析 流 程 及 有 限 元 建 模
２ １ 焊接 分析 流程 的确 定 ． 焊接 分析 的流 程示 意 图见 图 １ 。 ２ ４ 材 料物性 参 数的选 取 ．
接 冷裂 纹产 生 重要影 响 。
焊 接过 程 中 ， 源是 移动 的 ， 温度 场 中各点 的 热 且 温 度变 化非 常剧 烈 ， 期 采 用 的解 析 模 式 已不 能 适 早 应 温度 场准 确计 算 的需 求 。随着 热 源 模 型 的 发 展 ， 又 提 出了高 斯 函数 分 布 、 球状 热 源分 布 、 球形 热 半 椭 源分 布 以及 双椭 球 的 热 源 分 布 函数 。其 中 ， 椭 球 双 热 源模 型所 描述 的 热 流 密度 分 布 在 椭 球 形 体积 内 ， 考虑 了焊 接 电弧 的“ 掘 、 拌 ” 挖 搅 作用 ， 够反 映 出电 能
Ａｂ ｔａ ｔ Ｔｅ ｐ ｒ ｔ ｒ ｆｗｅｄ ｄ ｃ ｍ ｐ ｎ ｎ ｉｅ ｔｙ ｉｆｕ ｎ ｅ ｈ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｆｔ ｅｑ ａｉｙ ｓｒ ｃ ： ｍ ｅ ａｕ ｅｏ ｌ ｅ ｏ ｏ ｅ ｔｄｒｃ ｌ ｎ ｌｅ ｃ ｓ ｔ ｅｉ ｒ ｖ ｍｅ ｔｏ ｈ ｕ ｌ ｔ
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基于 Ａ Ｙ ＮＳ Ｓ的全 焊 接球 阀焊 接 过 程 的温 度 场分 析
王 娟 ，申军武 ，韩传军。 ，付玉坤。
（． 国石 油 川 庆 钻 探 工 程 有 限 公 司 井下 作 业 公 司 ， Ｉ） １中 ￣ｔ １ ｌ成都 新疆 轮 台 ６ ０ ５ ；２ １０ １ ．中 国石 化 西 南 石 油 局 重 庆 钻 井 公 司 ， ６０ ０ ） １ ５ ０ ８ １０ ；３ 西 南 石 油 大 学 ，四 Ｊ 成 都 ４６０ ． Ｉ Ｉ
表 ２ Ａ Ｔ Ａ ３ ０ Ｌ ２材 料 热 物 性 能 参 数 Ｓ Ｍ ５ Ｆ
ｔ ℃ ／ Ｅ／ ０ ａ ×１ ＭＰ ５ ／ ａ ＭＰ
２ ２ 全 焊接球 阀有 限元 模 型的建 立 ．
在焊接热分析中， 由于退 化 单 元 中三 维 中间 节
点 的热 流单 元 在承 受对 流荷 载时 按 固定模 式分 配热
的高参数 阀 门是必 然 的 。阀 门 口径越 大 、 材 级 别 钢
必要 了解 阀门焊 接 时 的温 度 场分 布 、 余 应 力 的大 残 小及 分布 特性 ， 而采 取措施 予 以降低 。 从
文 中通过综 合考 虑材料 热物性 参数 随温 度 的非 线性 变化 对温 度场 的影 响 ， 全 焊 接球 阀 的三 维 温 对
第４卷 第 １ １ 期 ２１ ０ ２年 １月
石
油
化
工
设
备
Ｖｏ ． １ Ｎｏ １ １４ ．
ＰＥ ＴＲ０一 ＥＭＩ ＣＨ ＣＡＬ Ｅ ＱＵＩ Ｅ ＰＭ ＮＴ
Ｊｎ ２ ２ ａ ． ０１
文 章 编 号 ：１ ０ — ４ ６ ２ １ ） １０ ２ —４ ０ ０７ ６ （ ０ ２ ０ — ０ ２０
作 者 简 介 ：王
娟 （９ ６） 女 ， 川 成都 人 ， 士 ， 事 石 油 钻 采 、 输设 备 与 工具 的研 究 工 作 。 １８ 一 ， 四 硕 从 集
பைடு நூலகம்
第 １ 期
王 娟 ， ： 于 ＡＮＳ 等 基 ＹＳ的全 焊 接 球 阀焊 接 过 程 的 温 度 场 分 析
过 程 ， 对此 模 型进行 了初步 的温 度分 析 。 并
流， 中间节 点沿 一 个 方 向 流动 而 在 角 点 又 沿 另外 方 向流动 ， 以产 生准 确结 果 。 可 对 于三 维模 型 ， 先建立 二 维模 型 ， 通过 几何 拉 再
伸 的方 法获 得三 维模 型 ， 果见 图 ２ 图 ３ 结 、 。
石
油
化
工
设
备
２１年 ０２
第４ １卷
ｔ ｅｓｒ ｓ ｉｌ ｆｆ ｌ ｗｅｄ ｄ ｂ ｌ ｖ ｌｅ ｎ ｉｎｆｃ ｎ ｌ ａｕ ｂ ｅｆ ｒｔ ｅｆ ｌ ｗｅｄ ｄ ｂ ｌ ｖ ｌ ｅ ｈ ｔｅ ｓｆｅｄ ｏ ｕ ｌ ｌｅ ａｌ ａｖ ，ａ ｄ ｓｇ ｉｉａ ｔｙ ｖ ｌ ａ ｌ ｏ ｈ ｕｌ ｌｅ ａｌ ａｖ
应 力场 奠定基 础 ， 对全焊接 球 阀焊接 工艺和 生产 工 艺具 有重要 的指 导意 义。
关键 词 ：球阀；全焊接；温度场；有限元
中图分 类号 ：Ｔ ０ ０ ２ Ｂ １ ５ ２ Ｑ ５ ． ；Ｔ １ ．
文 献标志 码 ： Ａ
Ｓ ｕ ｙ ｏ ｍ ｐ ｒ ｔ ｒ ｉ ｌ ｆＦｕ ｌＷ ｅｄ ｄ Ｂａ ｌＶａ ｖ ｕ ｉ ｇ ｔ ｄ ｎ Ｔｅ ｅ ａ ｕ ｅ Ｆ ｅｄ ｏ ｌ ｌ ｅ ｌ ｌ ｅＤ ｒ ｎ Ｗ ｅｄ ｎ￣ Ｂａ ｅ ｎ ＡＮＳ ｌｉ ｓｄ ｏ ＹＳ
摘要 ：焊接 部件 温度 场分布 对全 焊接球 阀质 量的提 高有 直接影 响 。利 用 ＡＮ ＹＳ软件 建 立全 焊接 Ｓ 球 阀温度 分布模 型 ， 并对其 焊接过 程 中的温度 场进 行 了模 拟计 算 ， 分析 焊接 过程 中全焊接 球 阀 内部
温度 分布 及 变化 情 况。研 究结 果表 明， 温度 场的模 拟与 实 际测 量结 果较吻合 ， 为下一 步研 究焊接 可
１ 焊 接 过 程 中存 在 的 主 要 问题 叫 ］
全 焊 接球 阀 的焊 接 过程 是 一 个 涉及 电弧 物 理 、
传 热传质 、 金力 学 的复杂 过程 ， 传热 过程 中金 属 冶 在 进 行 着熔 化 和凝 固 、 热和 冷却 的变 化 ， 产 生焊 接 加 会
应力 与变 形 。高 温停 留 时 间 、 却 速 度 等 热 传循 环 冷 参 数会 对 焊件 的组 织状 态 、 学 性能 、 扩散 以及 焊 力 氢
“ Ｌ 丁 【
ｅ ｐ（ ３ ａ ） ｘ （ ３ ｂ ） ｘ － ｘ ／ 。 ｅ ｐ － ｙ ／ 。 ×
２ ３ 施 加载荷 ．
热分 析 的载荷 主要 有温 度 、 流 、 对 热流密 度和 生
ｅ ｐ 一ｒ ＋ （ ｘ｛ ２ Ｔ一￡］ ／ ） 。ｆ ｝
（） １
式 中 ， 为 电子束 功率 ， ； 、 、 Ｑ Ｗ ａ ｂ Ｃ为能 量 分 布 参 数 为 焊 接速 度 ， ｓ ｔ 焊接 时 间 ， ； ｍ／ ； 为 Ｓ Ｔ为 温度 场 分 布 函数 ； Ｙ ） （ ， 为点 坐标值 。 ，
应用 双 椭球 热源 分布 函数 对全 焊接 球 阀的 温度
热率 。对 于移 动 的焊接 热源 的焊接 温度 场计算 属 于 瞬态 热分 析 ， 始 温 度取 决 于 焊 接 过程 中 的介 质 温 初 度， 在空气 中焊接 时 ， 始温 度值应 设 为室温 ２ 初 Ｏ℃ 。 焊件 与周 围介 质 的对 流 换 热 通 常会 损 失 一 部 分 热 量 ， 以应 在焊 件表 面施加 对 流荷载 ， 接方法 采用 所 焊
Ｗ Ａ Ｇ Ｊ ａ Ｓ Ｅ ｕ — ２ ＨＡ ｈ ａ － ｎ ， Ｕ Ｙ － ｕ ３ Ｎ ｕ ｎ ， Ｈ Ｎ Ｊ ｎＷｕ ， Ｎ Ｃ ｕ ｎｊ ３ Ｆ ｕｋ ｎ ｕ
（ ．Ｄｏ ｈ ｌ ｅｖｃ ｍｐ ｎ １ ｗｎ ｏ ｅＳ ｒ ｉｅＣｏ ａ ｙ，Ｃ ｕ ｎ ｎ ｉ ｉｇ Ｅｎ ｉｅ ｒｎ ｏ ａ ｙＬｉ ｔｄ， ｈ ａ Ｑｉ ｇＤｒｌ ｎ ｇ ｎ ｅｉ ｇ Ｃ ｍｐ ｎ ｍｉｅ ｌ
弧沿 深度 方 向对 焊 件 进 行加 热 的特 点 。因此 ， 以 可
图 ２ 球 阀三 维 实 体 模 型
对 焊接 温 度场进 行 更 为 准 确 的模 拟 ， 热 源模 型 的 该 能量 密度 分布 为 ：