焊接模拟有限元
焊板拉深成形有限元模拟研究
焊板拉深成形有限元模拟研究1.绪论1.1研究背景和意义1.2国内外研究现状1.3本文研究内容和意义2.焊板拉深成形的数值模拟2.1有限元模型建立2.2材料本构关系及参数确定2.3数值模拟方法2.4仿真结果分析3.焊接残余应力和变形分析3.1焊接模型的建立3.2数值模拟方法3.3仿真结果分析4.实验验证4.1实验设计4.2实验结果分析4.3数值模拟与实验结果对比分析5.总结与展望5.1研究工作总结5.2研究存在的问题和不足5.3未来研究方向第一章绪论1.1 研究背景和意义焊接作为一种常用的加工方法，在各种工业领域得到了广泛的应用。
焊接可以将不同材料或相同材料之间通过高温熔化并冷却的方式进行连接。
焊接的优点在于连接处强度高、接头紧凑、密封性好，缺点则在于焊接产生的残余应力和变形。
残余应力和变形将会严重影响焊接构件的使用寿命及性能。
为了提高焊接构件的可靠性和耐用性，需要对焊接工艺、残余应力和变形等进行深入研究。
近年来，众多学者和研究人员对焊接的残余应力和变形进行了探究，提出了许多有益的方法和理论，其中有限元方法在数值计算方面得到了广泛而深入的应用。
焊板拉深成形是一种常用的冷作成形方法，可以使焊件变形到一定的形状，这种成形方法可以补偿因热变形和残余应力引起的板材变形，同时具有高效、高质量的特点。
本文将以焊接残余应力和变形为研究重点，利用有限元方法对焊板拉深成形过程中的残余应力和变形进行了研究，为提高焊接制品的质量和性能提供了有效的理论和方法。
1.2 国内外研究现状目前，国内外学者对焊接残余应力和变形的研究已经非常深入。
在实验研究方面，有很多人采用类似散粉析晶、DIC测量和X 光扫描等方法来测定焊件的应变和残余应力。
这些方法虽然能够测定焊件在焊接过程中的应变，但是结果受到环境因素的影响较大，不够准确和可靠。
在数值模拟方面，有限元方法是目前应用最为广泛和有效的方法之一。
有限元分析能够模拟各种成形过程中的残余应力和变形。
有限元数值仿真 焊接
有限元数值仿真焊接有限元数值仿真是一种通过计算机数值模拟物理现象的方法，在工业生产过程中具有广泛应用。
在焊接工艺中，有限元数值仿真可以模拟焊接时的温度场、应力场、塑性应变等，从而预测焊接过程中可能出现的问题。
本文将介绍有限元数值仿真在焊接中的应用。
有限元数值仿真是一种基于数学模型的数值计算方法，用于模拟各种物理现象，包括结构力学、流体力学、热传导等。
该方法将连续体划分为有限数量的单元，在每个单元内建立数学模型进行计算，然后通过单元之间的边界条件关系，将所有单元的结果综合起来得到整体结果。
在焊接中，有限元数值仿真可以将焊接过程分为一系列的时间步骤，每个时间步骤内进行温度场、应力场、塑性应变等参数的计算，并通过不同的单元间的耦合关系完成最终的模拟，得到焊接过程中的温度场、应力场等参数。
1. 模拟焊接过程中的温度场有限元数值仿真可以模拟焊接过程中的温度场分布，对于评价焊接接头的质量和找出潜在的焊接问题非常有帮助。
通过数值仿真，可以预测焊缝的温度分布，从而避免出现焊接缺陷，如裂缝、变形等。
2. 分析焊接接头的应力场在焊接接头中，由于温度的变化，焊缝处可能存在应力集中，而应力集中部位可能会导致焊接接头的破坏。
有限元数值仿真可以模拟焊接接头的应力场分布，查找潜在的应力集中问题，并提供相应的解决方案。
3. 预测焊接接头的变形焊接过程中，由于热应力的影响，焊接接头可能会发生变形。
有限元数值仿真可以预测焊接接头的变形情况，并提供解决方案。
同时，这也可以作为指导焊接过程控制的重要依据。
焊接接头的塑性应变是评价焊接接头质量的一个重要指标。
有限元数值仿真可以模拟焊接接头的塑性应变，以评估接头的结构强度和稳定性。
三、有限元数值仿真的研究发展现状随着计算机技术的发展，有限元数值仿真在焊接领域已经取得了很大的进展。
目前，国内外多个研究机构都在进行有限元数值仿真技术的应用研究。
例如欧洲联盟已经成立了一支由11个成员组成的焊接数值分析小组，他们致力于推动有限元数值仿真技术的发展和应用。
建筑工程钢结构焊接过程模拟与焊接变形、焊接ansys应力有限元分析(详细图解分析)
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及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残余应力分布。
残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残余应力相叠加，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及结构疲劳强度。
对构件进行焊接，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，称为焊接残余应力。
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及焊接后构件变形及残余应力分布分析，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残余应力进行了分析。
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行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。
即：(1)使用热分析的手段进行热分析，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。
有限元焊缝建模标准
有限元焊缝建模标准
有限元焊缝建模的标准可以参考以下几个方面：
1. 材料模型：选择合适的材料模型，以准确描述焊缝材料的力学行为。
常用的材料模型有线弹性模型、弹塑性模型、本构模型等。
2. 几何模型：准确描述焊缝的几何形状，包括焊缝尺寸、形状和连接方式等。
可以使用CAD软件进行建模，将焊缝转化为有限元网格。
3. 网格划分：将焊缝几何模型划分为有限元网格，通常采用三角形或四边形网格划分方法。
网格划分应保证焊缝区域与周围结构接触良好，并保证网格质量。
4. 约束条件：根据实际情况设置适当的边界条件和约束条件，如定位约束、应力约束、位移约束等，以模拟焊接过程中可能存在的约束与限制。
5. 热源模型：根据实际热源的特点，选择适当的热源模型。
焊缝建模可以采用高斯热源模型、点热源模型等，以描述热输入的分布和变化。
6. 结果处理：根据实际需求，选择适当的结果处理方法，如应力、位移、温度等的分析和后处理。
可以使用专业有限元分析软件进行结果处理和分析。
需要注意的是，焊缝建模是一个复杂的过程，需要结合具体焊缝结构和分析目的进行模型选择和参数设定。
同时，建模过程中还应充分考虑焊缝材料的非线性行为、热效应等因素，以提高模拟结果的准确性和可靠性。
焊接过程模拟与焊接变形、焊接Ansys应力有限元分析
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及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残余应力分布。
残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残余应力相叠加，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及结构疲劳强度。
对构件进行焊接，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的应力，称为焊接残余应力。
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及焊接后构件变形及残余应力分布分析，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残余应力进行了分析。
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行温度场的模拟,然后将求出的结点温度作为体载荷施加在结构中,计算焊接残余应力与变形。
即：(1)使用热分析的手段进行热分析，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。
焊接过程的有限元模拟
分 。基于 T型接头的埋弧焊工艺 ,采用高斯分布的 热源函数作为表面热源 ,焊件熔池部分采用双椭球 形热源分布函数作为内热源 。
高斯函数分布的热源 [ 3 ]
q ( r) = qm exp
-
3
r2 R2
(1)
式中 : qm为加热斑点中心最大热流密度 ; R 为电 弧有效加热半径 ; r为离电弧加热斑点中心的距离 。
理论研究
熊震宇 董 洁 谢雨田 蒋海侠 焊接过程的有限元模拟
67
2. 2 应力场模拟结果分析 焊接过程的动态温度场计算结束后 ,进入 AN2
SYS的前处理器 ,将热单元转换为相应的结构单元 ,
设定计算热应力所需参数值后 ,热应力分析模块将 自动完成整个焊接过程的动态热应力分布的计算 。
南昌航空大学学报
Journal of Nanchang Hangkong University 自然科学版 …………Natural Science
q ( r)
6 =π3
3f1 Q /2 abcf
ex
p
-3
x2
y2
z2 2
a2 + b2 + c2f
(2)
在后半部分椭球内热源分布为
q ( r)
6 =π3
理论研究
熊震宇 董 洁 谢雨田 蒋海侠 焊接过程的有限元模拟
65
热 ,将辐射换热的影响考虑到对流换热中 ; (4)忽略熔池内部的化学反应和搅拌 、对流等
现象 [ 7 ] 。 1. 4 焊接热源的处理与施加
由于加热电弧是移动的 ,对于移动的实现 ,利用 ANSYS的 APDL语言编写子程序 ,采用离散的思想 , 进行多步循环来实现具体思路如下 :沿焊接方向将焊 缝长度 L等分为 N 段 ,将各段的后点作为热源中心 , 在以电弧中心为圆心 ,半径小于电弧有效加热半径的 区域内加载热源 ,每段加载后进行计算 ,计算时间为 L /V ,每一段的计算为一载荷步 。当进行下一段加载 (即下一载荷步计算 )时 ,需消除上一段所加的热流密 度 ,而且上一次加载所计算得到的各点温度值作为下 一段加载的初始条件 。如此依次在各点加载即可模 拟热源的移动 ,实现移动焊接瞬态温度场的计算 。 2 T型接头焊接的数值模拟结果及分析
焊接结构的有限元模拟与优化
焊接结构的有限元模拟与优化引言焊接是一种重要的连接方法，在制造业中广泛应用于各种工程结构。
在焊接结构设计中，通过有限元模拟和优化方法可以提高焊接结构的性能和寿命。
有限元模拟是一种数值分析方法，可以对复杂的结构进行模拟，计算其应力、应变和变形等物理量。
在焊接结构分析中，有限元模拟可以用于预测焊接接头的强度、刚度和疲劳寿命，以及评估焊接工艺的优化效果。
有限元模拟方法有限元模拟是一种将复杂结构分割为有限数量的简单元素，并对每个元素进行数学建模的方法。
通过将复杂的结构划分为简单的网格点（节点）和直线段（单元），可以建立结构的几何形状和材料特性的数学模型。
然后，根据结构的边界条件和加载条件，在每个节点上求解应力和应变的方程。
最终，通过对所有节点的求解结果进行整合，可以获得整个结构的应力分布和变形情况。
常见的有限元模拟软件包包括ANSYS、ABAQUS和LS-DYNA等。
这些软件提供了广泛的建模和分析功能，可以应对不同类型的焊接结构。
在进行有限元模拟之前，需要对焊接结构进行几何建模、网格划分和边界条件设置。
然后，选择合适的材料模型和加载条件，进行数值计算。
最后，根据计算结果进行后处理，得出焊接结构的应力、应变和变形等结果。
焊接结构的优化方法焊接结构的优化可以分为拓扑优化、形状优化和参数优化三个方面。
拓扑优化是通过改变结构的连接方式和布局来优化其性能。
形状优化是通过改变结构的几何形状来优化其性能。
参数优化是通过改变结构的材料和尺寸等参数来优化其性能。
在焊接结构的拓扑优化中，可以通过增加连接件的数量、调整连接件的位置和改变连接件的形状等方式来改善焊接结构的性能。
在焊接结构的形状优化中，可以通过改变焊接接头的几何形状和尺寸来控制焊接过程中的应力分布和变形情况。
在焊接结构的参数优化中，可以通过选择合适的焊接材料和调整焊接参数等方式来提高焊接接头的强度和寿命。
焊接结构的有限元模拟与优化实例下面以一个简单的焊接结构为例，介绍焊接结构的有限元模拟和优化过程。
焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究
焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析方法研究1.引言焊接是一种常用的金属连接方法，在工业生产中应用广泛。
焊接材料的成型加工过程决定了焊接接头的质量和性能。
为了提高焊接接头的质量和效率，需要进行数值模拟和仿真分析，以预测焊接过程中的温度场、应力场、相变和变形等物理现象，并优化焊接参数和工艺。
本文将重点介绍焊接材料成型加工过程数值模拟与仿真分析的研究方法及其应用。
2.数值模拟方法2.1 有限元方法有限元方法是一种常用的数值模拟方法，它将连续的物理领域离散化为有限数量的小单元，通过求解这些小单元上的方程组，得到整个物理领域的解。
在焊接材料成型加工过程中，可以将焊接区域划分为多个小单元，根据材料的热传导、应力-应变关系和相变规律，建立有限元模型，并求解温度场、应力场和相变变化等。
有限元方法可以对焊接过程中的多个物理现象进行耦合分析，提供详细的信息，对焊接过程进行准确的数值模拟。
2.2 计算流体力学方法计算流体力学方法是一种求解流体动力学方程的数值方法，可以用于模拟焊接过程中的流动和换热现象。
在焊接过程中，熔化金属的流动对焊接接头的形成和质量有重要影响。
计算流体力学方法可以建立焊接过程中的流动模型，模拟熔融金属的流动和焊接池的形成过程，从而预测焊接接头的形态和性能。
计算流体力学方法在焊接过程中的应用主要包括熔化金属的流动和焊接池的形成、焊接接头的形态和质量预测等方面。
2.3 相场模型相场模型是一种描述各相界面和相变过程的数学模型，适用于焊接材料成型过程中的相变和相界面追踪。
相场模型通过引入一个连续的相场函数，描述了相变系统中每种物质的存在程度，并与守恒方程和变分原理相结合，建立了相变系统的方程组。
在焊接材料成型加工过程中，相场模型可以用于预测焊接材料的熔化、凝固和晶体生长等相变过程，研究焊接接头的形态和组织演变。
3.仿真分析方法3.1 温度场分析温度场是焊接过程中的重要参数，直接影响焊接接头的组织和性能。
T型接头焊接温度场的有限元模拟
文章编号:1008-3812(2004)04-0041-03T 型接头焊接温度场的有限元模拟韩海玲赵 波李茂福(辽宁省交通高等专科学校,辽宁沈阳 110122) 摘 要 本文基于通用商业有限元软件ANSYS ,对T 型接头温度场进行模拟分析,从而得出了与经典理论相符合的结果。
关键词 焊接温度场有限元模拟分析中图分类号:TG 40 文献标识码:B1 问题的提出目前的计算机仿真主要集中在一些小的或简单的薄板结构,再者大型构件焊接过程的计算机仿真往往采用解析法、二维有限元模拟或需要与试验相结合进行数值模拟的方法,而对大型构件的三维有限元模拟论述较少。
本论文就对T 型接头的三维温度场进行模拟分析。
2 理论依据对于任何一种固体材料,假定其求解域V ∈R 3,则V 内任何一点的瞬态温度T (x ,y ,z ,t )应满足如下微分方程[1]:ρc 5T 5t =55x (λ5T 5x )+55y (λ5T 5y )+55z (λ5T 5z)+Q (t ≥0)(1.1)式中Q (x ,y ,z ,t )为求解区域V 中的内热源强度,λ为导热系数,ρ和c 分别为材料的密度和比热。
3 焊接温度场的简化收稿日期:2004-10-21作者简介:韩海玲,毕业于沈阳工业大学,硕士,讲师。
赵波,毕业于沈阳工业大学,硕士,教授。
李茂福,毕业于西安公路学院,教授。
3.1熔化极的选取为了精确的模拟热源,本文采用熔化极焊接,由于多道焊,所以可采用“生死”单元来模拟。
ANSYS 中单元生死起作用并不是将杀死的单元从模型中删掉,而是将刚度(或传导,或其它分析特性矩阵乘以一个很小的因子[2,4]。
所以,“死”单元的单元载荷、质量、阻尼、比热、弹性模量等效果都设为0值。
在本文的计算过程中,利用单元“生死”的原理,假设母材熔化时的弹性模量和屈服强度很低(传导系数和比热等物理性能不变,这样将不影响温度场的计算)。
在高温熔融状态下,因为定义的弹性模量和屈服极限较小,所以熔化区域的应力很小,它对整个焊接应力场的模拟影响很小。
焊接有限元仿真流程
焊接有限元仿真流程英文回答：Welding finite element simulation is a process that involves using numerical methods to analyze and predict the behavior of welded structures. It is a valuable tool in the field of welding engineering as it allows engineers to assess the performance and integrity of welded joints before they are actually fabricated.The first step in the welding finite element simulation process is to create a 3D model of the welded structure. This can be done using CAD software, where the geometry and dimensions of the structure are defined. The model should accurately represent the real-world geometry and material properties of the welded joints.Once the 3D model is created, the next step is to define the boundary conditions and loading conditions. This includes specifying the type of welding process, thewelding parameters (such as heat input and travel speed), and the material properties of the base metal and filler metal. These parameters are crucial in accuratelysimulating the welding process and predicting the resulting stresses and deformations.After the boundary and loading conditions are defined, the welding finite element simulation software uses numerical algorithms to solve the governing equations of heat transfer, fluid flow, and structural mechanics. These equations take into account the thermal effects, material properties, and mechanical behavior of the welded structure.The simulation software then calculates the temperature distribution, stress distribution, and deformation of the welded structure during the welding process. Thisinformation can be used to assess the quality of the weld, identify potential defects or failure points, and optimize the welding parameters to improve the performance of the welded joints.In addition to predicting the behavior of the weldedstructure during the welding process, welding finite element simulation can also be used to simulate post-weld heat treatment processes, such as annealing or stress relieving. This allows engineers to evaluate the effects of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of the welded joints.Overall, welding finite element simulation is a powerful tool that helps engineers optimize the welding process, improve the quality of welded joints, and reduce the risk of failure. It allows for virtual testing and analysis, saving time and resources compared to physical testing.中文回答：焊接有限元仿真流程是一种利用数值方法来分析和预测焊接结构行为的过程。
焊接接头加强设计的有限元模拟研究
焊接接头加强设计的有限元模拟研究随着各行各业技术的不断更新，机械行业中的焊接技术也水涨船高。
随着现代焊接技术的逐步普及，焊接结构在机械行业中已经成为一种常见的连接方式。
但是，在实际应用中，焊接接头的强度常常受到限制。
因此，如何增加焊接接头的强度，成为焊接技术开发的重要方向之一。
近年来，有限元模拟在机械行业中的应用越来越广泛，它的模拟精度高，可以准确地预测焊缝的应力和变形。
本文利用有限元模拟技术，对焊接接头的加强设计进行探究和研究，为实现焊接接头的强度提升提供一定的参考。
一、有限元模拟技术简介有限元分析技术是一种现代的数值分析技术，它模拟实际结构的复杂性，可以对构件进行刚度、强度和疲劳等方面的分析。
有限元分析技术的应用可以帮助机械工程师优化产品设计、提高性能和降低成本。
有限元模拟技术在工程领域中的应用非常广泛，主要应用于结构力学、固体力学、热力学等领域。
二、焊接接头的强度和加强设计焊接接头连接质量是指在焊接过程中，经过预备工作后两个工件用焊接材料焊接在一起后的整体连接程度。
焊接接头的瑕疵和缺陷对焊接接头的强度有很大的影响。
焊接接头加强设计的目的是为了消除焊接接头过度的应力，提高焊接接头的强度。
焊接接头加强设计方法有很多种，其中最常见的方法是采取增加金属厚度或者加粗补强板的方式。
这种方法能够有效地提高焊接接头的强度，但是添加了很多重量，也增加了生产成本。
三、有限元模拟实验方法在进行有限元模拟实验之前，我们需要根据焊接接头的形状和尺寸，绘制出三维图像，并对其进行三维建模。
计算机软件工具可以通过输入焊接接头的材料性质、尺寸、形状等信息，并根据特定的分析方法和算法进行计算和模拟。
通过计算实验数据分析，我们可以得到焊接接头的应力、变形等信息，从而判断其强度和稳定性。
四、实验结果和分析通过有限元模拟实验，我们可以得到焊接接头的应力、变形等信息。
焊接接头的应力集中在焊缝附近，这是由于焊接过程中产生了热膨胀现象。
211226072_交叉角焊缝的有限元模拟分析
交叉角焊缝的有限元模拟分析谭创(长江大学 湖北荆州 434023)摘要：采用HyperMesh对模型进行网格划分，利用生死单元法实现了对实际焊接过程的数值模拟，对不同方向焊缝的半封闭式箱型结构的进行了焊接温度和残余应力的数值模拟。
模拟结果表明，焊接过程中峰值温度区间位于2 050~2 150℃之间；每道焊缝焊接完成后残余应力都会发生变化，第一道焊缝焊接完成后，残余应力最大为316.7 MPa；第二道焊缝焊接完成后，残余应力最大为281.7 MPa；第三道焊缝焊接完成并经过装夹释放后，云图中残余应力基本呈对称分布，且残余应力最大值为367 MPa，位于三条焊缝交叉处。
关键词：数值模拟 焊接 残余应力 箱型结构中图分类号：TG404;TG156文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)08-0068-04 Finite Element Simulation Analysis of Cross Fillet WeldsTAN Chuang(Yangtze University, Jingzhou, Hubei Province, 434023 China)Abstract:HyperMesh was used to mesh the model, the life and death element method was used to realize the nu‐merical simulation of the actual welding process, and the numerical simulation of the welding temperature and re‐sidual stress was carried out for the semi-closed box structure of welds in different directions. The simulation results showed that the peak temperature range in the welding process was 2 050~2 150 ℃, and the residual stress changed after each weld was welded. The maximum residual stress was 316.7 MPa after the first weld was welded, the maximum residual stress was 281.7 MPa after the second weld was welded, and that after the third weld was welded and clamped and released, the residual stress in the cloud diagram was basically symmetrically distributed, and the maximum residual stress was 367 MPa, which was located at the intersection of three welds.Key Words: Numerical simulation; Weld; Residual stress; Box structure箱型焊接结构广泛应用于各种工程结构领域。
船舶钢结构焊接的有限元模拟及应用
船舶钢结构焊接的有限元模拟及应用摘要：本文通过建立有限元模型来模拟实验，来分析船舶钢结构在焊接的过程中的焊接热度、应力场等数值的变化。
通过对钢结构构建有限元件模拟，能够对整个船舶的钢结构实施全过程焊接。
通过分析钢结构焊接过程中，焊接热度及冷却过程的应力变化，来得出实验结果，进而掌握焊接后的钢结构的变形规律，来为实际的施工工艺做出合理的指导。
关键词：船舶钢结构焊接；有限元模拟；焊接热源引言：钢结构焊接好坏会对船舶的质量产生重要影响。
由于焊接存在于船舶建造的各个环节中，因此可将焊接工业看做是船舶的最常用技术。
钢焊接对于工艺水平的要求非常严格，为保证焊接的质量，一般会采用断弧焊接，但不同结构的焊接技术不同，比如V型口对接可以使用断电弧，来确保焊接质量。
因此，无论选择哪种焊接方法，都需要注意弧长稳定性，确保焊接熔深与熔宽一致。
1船舶钢结构焊的原理钢焊接是一种物理形象，在焊接过程中产生的变形或者金属加热的问题，是焊接结构内部残留的预应力。
在焊接后，焊接缝隙内的钢结构会残留预应力，导致焊接变形。
如果焊接力的处理不合格，就会降船体结构的精度。
为了提升船舶结构的设计精度，需要借助计算机软件，来模拟整个焊接过程。
可以借助有限元件模拟实验，这样一来，既能够对将焊接的钢结的热源变化、焊接热源的移动变化等数据进行监测，又能够分析钢结构内部剩余的应力及形变情况，得出不同焊接阶段的钢结构应力的变化曲线，来最大化的控制焊接应力。
1.1焊接原理的计算公式借助有限元软件来模拟钢结构的焊接情况，就是指通过焊接来模拟整个过程在，在焊接的过程中，结构的内部热量会产生应力及应变的过程。
计算公式如下： P（材料密度）C（焊接温度的分布函数）=R（结构的导入系数)x Q（内部源的强度）1.2焊接原理的应力变化在焊接的过程中，结构的内部的应力和形变的结构会因为材料的温度变化发生弹性，这种弹性属于一种热塑弹性，而焊接的应力问题是通过分析温度变化曲线，得出的非常规线性特点。
焊接模拟有限元PPT课件
,
zx
w x
u z
五、边界条件(应力,位移)
应力
x xl xym yzn y yxl ym yzn z zxl zym zn
2 x y 2
2 y x 2
2 xy xy
,
x
zx y
xy z
yz x
2
2 x yz
位移
2 y z 2
2 z y 2
2 yz yz
,
y
xy z
体积力 F e Fx Fy T ，表面力 e x y T
二、位移模式与形函数
u a1 a2x a3 y ui a1 a2xi a3 yi
vi a4 a5xi a6 yi
y
Yk vk
k(xk , yk )
X k uk
Yi vi
i(xi ,
Xi
yi )
Fy ui
Fx
Yj vj
0
0 i ti
0 1
第10页/共67页
T
t 0
0 t
第3章 平面问题有限元分析
第1节 三角形常应变单元 第2节 矩形双线性单元 第3节 收敛准则 多项式位移模式阶次的选择 第4节 六结点三角形单元 第5节 四结点四边形等参单元 第6节 八结点四边形等参单元
第11页/共67页
第3章 平面问题有限元分析
对于平面问题：
(Xu Yv)dxdy (Xu Yv)ds S1
( x x y y xy xy )dxdy
第4页/共67页
第4节 最小势能原理
最小势能原理
在几何可能的一切容许位移和形变中,真正的位移和形变使总势能取 最小值；反之,使总势能取最小值者也必是真正的位移和形变。
有限元法在激光焊接模拟中的应用
有限元法在激光焊接模拟中的应用XXXX（北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京，100191）摘要：本文简要介绍了有限元法的基本理论，结合激光焊接数值模拟给出了有限元法实现焊接模拟的主要步骤，阐述了国内近10年激光焊接数值模拟的研究现状。
关键字：有限元法；激光焊接；高斯热源；研究现状Application of Finite Element Methodin the Simulation of Laser WeldingXXXX（School of Mechanical Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China）Abstract: The basic theory of finite element method is discussed in this paper, the main steps of applying the finite element method to solve the numeric simulation on welding is given out in the example of numeric simulation on laser welding. At last, the development of numeric simulation on laser welding in the latest 10 years is concluded.Key Words: Finite element method, Laser welding, Gauss heat sources, Development0引言激光焊接是利用高能量密度的激光作为热源的一种高效精密的焊接方法。
它是一个快速而不均匀的热循环过程，焊缝附近出现很大温度梯度。
激光焊接后，其结构将出现不同程度的残余应力，并引起焊件变形，直接影响焊接结构的质量和使用性能。
基于ANSYS的焊接过程有限元模拟
与以焊接起始点为坐标原点的 Ｘ、Ｙ 向距离； ｔ 是焊
接电弧移动时间。利用 ＡＮＹＳ 参数化程序语言 ＡＰＤＬ
比较容易实现移动热源的加载求解。
采 用 ＡＮＹＳ 的 ＡＰＤＬ 加 载 求 解 移 动 的 焊 接 电
弧时， 先定义三维表格数组参数用来存储不同时刻
和不同位置热流密度值。加载求解之前， 先根据式 ５
Ａｂｓｔｒａｃｔ ： Ｍｉｄｄｌｅ－ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｐｌａｔｅ ｓｕｒｆｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒａｉｎ ｆｉｅｌｄｓ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ＡＮＳＹＳ ｃｏｄｅ．Ｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｓｏｍｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｔａｋｅｎ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｒｅｓｕｌｔ， ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．
温度场计算时， 将模型的对称面定义为绝热边 ·４２· Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ
界条件， 即
!Ｔ ＝０。
（２）
!ｎ
其他周围表面定义为换热边界条件， 即
λ !Ｔ !ｎ
＝α（Ｔａ－
Ｔｓ）。
（３）
式中 ｎ 是边界表面外法线方向； α 是表面换热系
数； Ｔａ 是周围介质温度； Ｔｓ 是物体表面温度。 换热系数α 包括对流表面换热系数和辐射表
数， 其数学定义为［４］
" Ｈ＝ ρｃ（Ｔ）ｄＴ，
（４）
钎焊有限元模拟
钎焊有限元模拟引言钎焊是一种常见的焊接方法，通过使用钎焊剂和加热来连接金属件。
在实际应用中，钎焊接头的质量和强度是非常关键的，因此需要进行有限元模拟来评估和优化钎焊接头的性能。
本文将对钎焊有限元模拟的原理、方法以及应用进行探讨。
有限元方法概述有限元方法是一种常用的数值计算方法，通过将复杂结构分割为有限数量的离散单元，再在每个单元内进行力学计算来得到整个结构的应力、应变分布。
有限元方法在工程领域得到了广泛应用，可以用来分析和优化各种结构的性能。
钎焊有限元模拟的步骤钎焊有限元模拟的基本步骤如下：1. 几何建模钎焊模型的几何建模是模拟的第一步，需要将焊接部位的几何形状、尺寸等信息输入到有限元软件中，通常使用CAD软件进行建模。
2. 网格划分在有限元分析中，结构被划分为许多小单元，称为网格。
网格划分要根据焊接件的实际情况进行，通常包括焊接部位和周围区域。
3. 材料属性定义钎焊有限元模拟需要定义材料的力学性质，如弹性模量、泊松比、热膨胀系数等。
这些参数是有限元计算的基础。
4. 边界条件设定为了使模拟结果更加准确，需要设置适当的边界条件。
边界条件包括约束和载荷条件，用来模拟真实工况下的应力和变形情况。
5. 温度场模拟钎焊过程中，材料会发生温度变化。
在有限元模拟中，需要考虑温度场的影响，通常采用热-结构耦合分析方法。
6. 钎焊接头模拟钎焊接头模拟是整个有限元模拟的核心步骤，需要考虑焊缝的形状、尺寸以及焊接过程中的热力耦合效应。
通过有限元计算，可以得到焊接接头的应力、应变以及温度分布。
7. 结果分析和优化钎焊有限元模拟的最后一步是对模拟结果进行分析和优化。
可以通过分析得到的应力和变形分布，评估焊接接头的结构强度和稳定性，并根据需要对焊接工艺进行优化。
钎焊有限元模拟的应用钎焊有限元模拟在实际工程中有广泛应用，主要包括以下几个方面：1. 接头设计通过钎焊有限元模拟，可以评估不同设计方案的接头性能，从而选择最佳设计方案。
焊接的模拟——精选推荐
在有限元模拟中，焊缝通常被简化为某种联结方式，不同的求解器，有不同的处理方式。
在NASTRAN中有专门用于模拟焊接的单元。
主要有CWELD单元,ACM 系列焊接单元(包括一系列单元)等。
以工业试验数据为依据，nastran 中的焊接单元经过多次改进，性能有了很大的提高，经过国外很多汽车厂商的实际使用表明，nastran的焊接单元如果使用得当，分析计算结果与实验测试数据有相当高的吻合度。
除了专门的焊接单元外， nastran中还有rbe2单元，rbe2单元用于把两个节点刚性联结起来，有时候也被用来模拟焊接。
由于rbe2单元不需要特别的设置，使用起来简单直接，因此，还是有很多工程师喜欢用它模拟焊缝。
rbe2单元模拟焊缝的缺点是它过于刚硬了，一般只用在要求不太高的场合。
至于ansys，ansys中并没有类似于nastran中的专门用于模拟焊接的单元，只能退而求次了，ANSYS中主要有三种方法来模拟焊接：1)使用MPC184单元。
效果类似于nastran中的rbe2刚性联结，在使用mpc184的时候，一定要注意改变其单元的KEYOPT(1)的默认设置使KEYOPT(1)=1，使之具有rigid beam属性，另外要注意的是对于使用MPC184联结起来的节点，不能施加额外约束，否则，可能会引起过约束而使ANSYS报错。
2)使用CERIG命令。
可以使用CERIG命令直接把两个节点直接联结起来。
需要注意的是，对于cerig中的从节点，不能施加任何约束，否则会报错，计算没法进行。
3)以上两种方法，都是刚性联结，效果类似于nastran中的rbe2，缺点也和它一样。
如果想使模拟更接近实际情况一点，我们可以用一定横截面积的梁单元来联结两个部件，至于梁的横截面积大小，梁的材料属性该如何取，需要和实验数据进行对比之后来选择最合适的数据。
对于abaqus,LS_dyna等其他求解器，也提供了一些联结方式，可以用于模拟焊接，具体情况可以类似参照上述方法处理。
有限元CAE软件sorpas在焊接模拟中的使用
电极间的电阻包括 3 种,即:工件本身电阻 R5,两工件间接触电阻 R7,电极与工件间接触电阻 R3和R4（如图 1 所示）。
在电阻焊开始时，三种电阻之间的大小关系为 R7>R3>R5,因此工件和工件之间首先产生热量，并熔化，在电极的压力下熔合形成了我们的电阻焊工艺。
电阻焊是一个非常复杂的工艺，就工件本身而言它涉及到工件的材料成分、力学性能，热性能等， 工件和材料的本身特性又会随着温度变化而变化，焊接时的压力，电流，时间都会对焊接产生影响；焊接机器采用是直流电，还是交流点，电感，导通角等，在焊接过程中材料变软 电极要移动， 摩擦，惯性，接触不良等对电阻焊的影响也是非常大的。
在焊接过程中需要多少热量是固定的，但是时间如何确定？，动 态性如何克服？最后的稳定性如何保障？SORPAS 软件将所有影响电阻焊分析性能的100多种因素归纳为四大模型:电模型、热模型、机械模型，并结合了大量的实验验证和修订，已经发展为一套非常成熟的商业软件。
SORPAS 的使用介绍SORPAS方法：向导式设定和 WTD 自动优化设定。
1. 向导式设定方法如下：A. 设定材料参数，用户只需要设定选用的材料数量以及每块材料的厚度，板材之间的间隙，涂层的厚度，然后从数据库中选择每种材料对应的牌号，以及涂层对应的牌号后，选择下一步B. 进入到电极选择界面，从电极库中选择对应的电极，点击下一步。
C. 设定初始的电流，压力和焊接时间等参数，点击下一步。
D. 若用户不设定任何参数，SORPAS 就会计算出当前工况下的焊接结果，若用户设定模拟的范围，如电流从 5KA 到 15KA, 时间从 10 个周波到 50 个周波，这样软件就能够按照用户设定的范围，自动的模拟焊接窗口。
过程如下面图所示：1，设定材料参数（可直接从数据库中选）2，从电极标准库中选取电极3，初始设定4，设定模拟范围2. WTE 自动优化设定利用 SORPAS 的最新的 WTD （焊接计划功能）用户只需要设定选用的板材数量、每块板材的厚度并从材料库中选择对应的材料、电极、电机，SORPAS 软件就能够自动的计算并优化出最佳的工艺参数， 如：焊接压力，电流大小，需要的脉冲数量，每个脉冲的周波数量，间隙时间，保压时间，最终的焊点尺寸，焊点能承受的抗剪切力，抗拉力，屈服强度等，同时模拟出最终焊点的金相组织分布等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
l3 l 2
vj uj x
0 0
0 3
01
l2 l
2 1
l3 l 2
形函数矩阵为: u Nu u v Nv v Nu h(x)A11 Nv H(x)A21
i ui vi i T
j uj
vj j T
e
T i
T T j
第1节 等直杆单元分析续1
0 0 0 0
0 2(1 )
已知位移列阵 d u v w T
一、平衡方程 A F 0
微分算子列阵
x
0
0 y
0
z
A
0
y
0
x z
0
0
0
0
z
y x
二、几何方程 AT d 三、本构关系 D 四、协调方程 C 0
C 协调算子矩阵（略）
表面外法线方 l 0 0 m 0 n 向余弦矩阵 L 0 m 0 l n 0
实质: 对力学模型进行近似数值计算的方法 将无限自由度问题变成有限自由度问题
分析过程:结构离散化,确定位移模式,单元特性分析 整体分析,解方程,输出计算结果,其他处理
学习方法:与矩阵位移法对比—相同与不同之处 了解基本原理,各种方法的共性与实质 通过自编程序进一步熟悉原理
杆系结构
应用状况:标准通用软件SAP2000,ANSYS, 各种专用程序
d
u v
Hu
H
v
((xx))A
e
N e
Hu (x) 1 0 0 x 0 0, Hv (x) 0 1 x 0 x2 x3
2、用结点位移表示应变和应力
拉压应变，
o
弯曲应变
b
1 0 0 0 0 0
0
1
000
0
0 0 1 0 0 0
1
A
l
0
0
3 l2
01 l
2 0 l
0
3 l2
0
1
l
yz
z
1 E
[ z
( x
y )], zx
2(1 E
) zx
四、协调方程
二、几何方程
x
u x
,
xy
u y
v x
y
v y
,
yz
v z
w y
z
w , z
zx
w x
u z
五、边界条件(应力,位移)
应力
x xl xym yzn y yxl ym yzn z zxl zym zn
A1
1 1
0
l
A2
0 1
Hale Waihona Puke 1 l0 l20
l3
待定参数为:
0
1
2l
3l
2
a A1 1 u b A2 1 v
结点位移表示的位移模式为:
1
A11 1
l
u h(x)A11 u v H (x)A2 1 v
Mi i
i
ivi
ui
l
Ni
j
1 0
0 1 l
A2
1
0 3
l2
2
1 2
连续体
第2节 弹性力学基本方程
一、平衡方程 x xy xz X 0
x y z
yx y yz Y 0 x y z
zx zy z Z 0
三、本构关系 x y z
x
1 E
[
x
(
y
z )],
xy
2(1 E
)
xy
y
1 E
[
y
( z
x )],
yz
2(1 E
)
即：形变势能的变分表达式与虚变形功的表达式完全相同。
外力势能变分:
V (Xu Yv Zw)dxdydz (Xu Yv Zw)dS
S1
即：外力势能的变分表达式与外力虚功负值的表达式完全相同。
第2章 杆系结构有限元
第1节 等直杆单元分析
1、用结点位移表示单元的位移模式
位移列 阵 u ui uj T
S1
总虚变形功：
U ( xx y y zz yz yz zx zx xy xy)dxdydz
对于平面问题：
(Xu Yv)dxdy (Xu Yv)ds S1
( x x y y xy xy)dxdy
第4节 最小势能原理
最小势能原理
在几何可能的一切容许位移和形变中,真正的位移和形变使总势能取 最小值；反之,使总势能取最小值者也必是真正的位移和形变。
2 x y 2
2 y x2
2 xy xy
,
x
zx y
xy z
yz x
2
2 x yz
位移
2 y z 2
2 z y 2
2 yz yz
,
y
xy z
yz x
zx y
2
2 y zx
u u, v v, w w
2 z x2
2 y x2
2 zx zx
,
z
yz x
zx y
xy z
2 2 z xy
v vi i vj j T
y
Qi
Qj Mj j
j Nj
设位移模式 u a0 a1x, v b0 b1x b2 x2 b3x3
h(x) 1 x H (x) 1 x x2 x3
a a0 a1 T b b0 b1 b2 b3 T
由结点位移得 u A1a v A2 b
1 0 0 0
其中:
0
2 l3
1 l
0 2 l3
1 l 2
du
o b
dx
y
d 2v dx2
HyHu (vx()x)A
e
B e
Hu (x) 0 0 0 1 0 0, Hv(x) 0 0 0 0 2 6x
0 0 n 0 m l
五、应力边界条件 L 0 位移边界条件 d d 0
第3节 虚位移原理
虚位移原理
弹性体处于平衡状态的必要与充分条件：对于任意的、满足相容条 件的虚位移 ，外力所做的功等于弹性体所接受的总虚变形功。
W U
总外力虚功：
W (Xu Yv Zw)dxdydz (Xu Yv Zw)dS
总 势 能： U V
形变势能：U
1 2
( x x y y z z yz yz zx zx xy xy)dxdydz
外力势能：V (Xu Yv Zw)dxdydz (Xu Yv Zw)dS
S1
形变势能变分:
U ( xx y y zz yz yz zx zx xy xy)dxdydz
《有限元法》考核方式
1 有限元学习报告（打字） 2 一个有限元程序 （MATLAB语言编写） 3 口试
时间：第19周前全部完成 第20周 考试结束
第1章 有限元法绪论
第1节 概述 Clough--The finite element method
起源: 50年代飞机结构矩阵分析Argyris,Turner ,Clough 60年代弹性力学平面问题,目前已涉及众多领域
续第2节 弹性力学基本方程—矩阵表示
位移列阵 d u v w T
体积力列阵 F X Y Z T
应力列阵
x
y
z
xy
yz
T zx
应变列阵
x
y
z
xy
yz
T zx
表面力列阵 x y z T
1
1
对
称
a
D 1
1 E
0
0
1 0
2(1 )
0 0 0 0 2(1 )