ABAQUS焊接领域解决方案

Q焊接领域解决方案ABAQUS
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国内外焊接变形预测方法
固有应变焊接预测法
2
3基于热弹塑性理论的焊接预测法
Ab
4Abaqus针对焊接行业的解决方案
自始至终安心托付
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国内外焊接变形预测方法
固有应变焊接预测法
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3基于热弹塑性理论的焊接预测法
Ab
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焊接变形预测的重要性
焊接是船舶制造最主要的加工手段，焊接水平的高低在很大程度上决定了船体的质量和生产效率，而焊接变形又是焊接过程中最
中最难控制的一环。

焊接变形的影响：
焊接结构形状变异，尺寸精度下降；
承载能力降低；
船体在工作载荷作用下引起的附加弯矩和应力集中作用下导致结果失效；
船舶结构疲劳降低。

船舶结构疲劳降低
因此，对焊接变形的预测及控制已成为船舶生产中迫切需要解决的重要课题。

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国内外焊接变形的预测方法
1.经验（试验）法
经验（实验）法是通过试验建立经验公式和数据曲线，用经验公式和数据曲线来估计焊缝的收缩量和角变形量
和数据曲线来估计焊缝的收缩量和角变形量。

局限性：
z一定条件下的试验或生产实际中得到的，一般被限制在特定的变形模式上
变形模式上；
z实验受到时间和成本的限制。

真实结构的复杂焊接变形是由多个基本变形组合而成的。

每个基本变形不可能通过有限的实验
结果来区分。

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22.解析法
解析法（弹性理论方法）是基于经典弹性理论，忽略热弹塑性的方法。

局限性：由于该方法是建立在平截面假定和其它一些假定的基础上
局限性：由于该方法是建立在平截面假定和其它些假定的基础上的，故只能适用于一些焊接是通过熔化金属进行连接的工艺过程。

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3.数值模拟法
焊接数值模拟法又叫焊接计算机仿真，实际上就是热传导有限元解析法和非线性有限元应力解析的组合，已成为线性问题及塑性破坏等非线性问题解析非线性有限元应力解析的组合已成为线性问题及塑性破坏等非线性问题解析不可或缺的手段。

焊接数值模拟是以试验为基础，采用一组控制方程来描述一个焊接过程或
个焊接过程的某方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识。

一个焊接过程的某一方面，采用分析或数值方法求解以获得该过程的定量认识。

z核心要求：确定被研究对象的物理模型及其控制方程（本构关系）。

z意义：通过对复杂或不可观察的焊接现象进行仿真和对极端情况下尚不知的规则的预测，以助于认清焊接现象的本质特征，优化结构设计
不知的规则的预测以助于认清焊接现象的本质特征优化结构设计
和工艺设计，从而减少试验工作量，提高焊接质量。

z应用范围：预测焊接温度场、焊接残余应力、大型结构的焊接变形以及焊缝和热影响区组织的预测。

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焊接数值模拟，实际上就是热传导有限元解析法和非线性有限元应
焊接数值模拟实际上就是热传导有限元解析法和非线性有限元应力解析的组合。

由此，焊接变形和残余应力的计算有两部分组成：A）随时间变化的温度分布的计算，即温度解析；
B）在变化的温度场下地位移、应变和应力的计算，即应力解析。

B）在变化的温度场下地位移应变和应力的计算即应力解析
有有焊接数值模拟主要包括固有应变法和热弹塑性有限元法。

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主要内容
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国内外焊接变形预测方法
固有应变焊接预测法
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3基于热弹塑性理论的焊接预测法
Ab
4Abaqus针对焊接行业的解决方案
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固有应变法
（1）固有应变
在低合金高强钢焊接时，固态相变常发生在弹性丧失温度以下，必须考虑相变时体积膨胀引起的应变变化。

因此焊接应力是热应变、塑性须考虑相变时体积膨胀引起的应变变化因此焊接应力是热应变塑性应变以及相变应变综合影响的结果。

热应变、塑性应变和相变应变都是焊接应力产生的根源.
所谓固有应变可以看成焊接残余应力之源物体处于即无外力又无
所谓固有应变可以看成焊接残余应力之源，物体处于即无外力又无内力的状态下作为基准态，固有应变表征从应力状态切离后处于自由状态时，与基准态相比所发生的应变。

焊接时，固有应变包括塑性应变、温度应变和相变应变。

焊接结构经过一次热循环后，温度应变为零，则固有应变是塑性应变和相变应变的残余量之和。

焊有，弹有替弹若已知给定焊接过程的固有应变，使用线弹性有限元代替热弹塑性有限元求解焊接残余应力和焊接变形，这就大大缩短了计算时间。

核心要求：要用固有应变法计算复杂结构的残余变形，需要建立一个庞大的固有应变数据库。

这个数据库是建立在热弹塑性有限元分析和实验以及长期的经验积累的基础上的。

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若已知给定焊接过程的固有应变，使用线弹性有限元代替热弹塑性有限元求解焊接残余应力和焊接变形，这就大大缩短了计算时间。

算时间
核心要求：要用固有应变法计算复杂结构的残余变形，需要建立一个庞大的固有应变数据库。

这个数据库是建立在热弹塑性有限元分析和实验以及长期的经验积累的基础上的。

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基于固有应变理论预测焊接变形
1.建立理想条件下船体焊接接头固有应变数据库；
2.建立有限元模型；
3.以基于固有应变有限元焊接专用软件WSDP为基础，利用建立
的固有应变数据库，直接对船体有限元模型的焊接进行计算.
z对于不同的结构要利用WSDP软件进行焊接变形预测计算，必须先要建立固有应变数据库，这是进行焊接变形预测计算
的重要和关键一环。

z对于典型焊接接头的焊接，可通过热弹塑性有限元法进行计对于典型焊接接头的焊接可通过热弹塑性有限元法进行计
算。

通过该方法得到其焊接变形，即得到典型焊缝的固有应
变。

z除此之外，可利用其他行业的经验，如机车行业，用WSDP 除此之外可利用其他行业的经验如机车行业用
软件对焊接变形进行分析，得出其焊接变形量。

再根据生产
工艺条件和实际生产过程中积累的大量经验数据对固有应变
基础数据库进行修正；通过计算得到的数据和实际生产中的
基础数据库进过计算到的数据实生产中的
数据进行对比，修正固有应变数据库。

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固有应变预测焊接变形流程
生成三维模型
模型简化
生成有限元模型
有限元模型导入Weld ‐Sta z 设置焊缝信息
z 导入加载材料参数有限元模型导
软件求解计算
z 添加焊缝顺序z 施加边界条件（焊接变形计算、补偿余量预测）
自始至终安心托付结果分析
固有应变法的流程
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主要内容
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固有应变焊接预测法
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（2）热弹塑性有限元法
跟踪整个焊接过程，以给定的时间步长，计算出每一时刻焊接温度场，以及计算出每个时间段由于温度变化引起的应力应变增量，逐步累以及计算出每个时间段由于温度变化引起的逐步累计叠加，最终得到的则为残余应力与变形。

优点：综合考虑焊接过程的几何非线性、材料非线性和状态非线性，考虑显微组织转变与液固相转变对热力过程的影响，研究移动热源作用考虑显微组织转变与液固相转变对热力过程的影响研究移动热源作用下的瞬态温度场、热应力场与变形场。

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局限性：
z由于焊接热弹塑性有限元计算过程是个典型的非线性过程，矩阵方程奇异性大，使得收敛困难，需要经过多次迭代才能达到
阵方程奇异性大使得收敛困难需要经过多次迭代才能达到
必要的收敛精度；
z同时采用热弹塑性有限元法需要跟踪整个焊接及冷却过程，这使得热弹塑性有限元分析计算量非常庞大，长期以来该方法仅
使得热弹塑性有限元分析计算量非常庞大长期以来该方法仅
适用于一般焊接接头的力学行为分析，很少用于大型复杂结构
的焊接变形研究。

需求：要做到精确分析焊接变形，仍然需要大力开展热弹塑性有限
需求要做到精确分析焊接变形仍然需要大力开展热弹塑性有限元的理论基础和实际应用研究，特别是在单元技术的开发、网格划分技术（动态可逆的自适应网格技术）、多道焊组合处理、多台计算机并行计算、相似理论等方面的研究，以提高热弹塑性有限元分析的计算速度和计算精度。

（对软硬件提出要求）
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焊接残余应力
焊接构件由焊接而产生的内应力称为焊接应力，焊接完成后残留在焊件结构件内部的焊接应力之为焊接残余应力。

焊件结构件内部的焊接应力之为焊接残余应力
焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀加热所引起的。

焊接应力按其发生源来区分，有如下2种情况：
z直接应力是进行不均匀加热和冷却的结果，它取决于加热和冷却时度梯度，是热胀冷原，是形成焊残余应力
却时的温度梯度，也就是热胀冷缩原理，是形成焊接残余应力
的主要原因。

z组织应力是由组织变化而产生的应力，也就是相变造成的比热容变化而产生的应力。

焊接残余应力是由多种因素交互作用而
形成的结果。

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热弹塑性有限元分析的求解过程是：首先把构件划分成有限个单元，
然后逐步加上温度增量（焊接时的温度场预先算出）。

每次温度增量加上后，可求得各节点的位移增量。

再根据应力应变关系，可求得各单元的应力增量。

这样就可以求解}{δd 整个焊接过程中动态应力应变的变化过程和最终的残余应力和变形的状态。

热弹塑性问题是一个热力学问题，在热弹塑性分析时有如下一些假定：⑴材料的屈服服从米赛斯（Von Mises）屈服准则；⑵塑性区内的行为服从塑性流动准则和强化准则；⑶弹性应变塑性应变与温度应变式不可分的；⑶弹性应变、塑性应变与温度应变式不可分的；⑷与温度有关的力学性能、应力应变在微小的时间增量内线性变化。

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两种方法的综合对比
对比与总结
热弹塑性有限元法不仅可以模拟焊接结果，而且可以模拟焊接过程中热、力及变形和应变的变化；而固有应变理论忽略焊接过程中热、力及变形和应变的随时间的变化，只关注焊后应力和应变的结果。

z热弹塑性有限元法
3D板单元建立有限元模型，基于热弹塑性理论方法不仅可以在较短时利用板单元建立有限元模型基于热弹塑性理论方法不仅可以在较短时间内最终计算出结果，并且具有较高的精度。

z固有应变
作为一种近似的手段基于固有应变理论方法模拟大型复杂结构焊接过程
作为种近似的手段，基于固有应变理论方法模拟大型复杂结构焊接过程简单，不需要耗费大量的计算机资源，适宜生产条件下的应用。

但该方法依赖于相应结构的固有应变数据库，所以在利用固有应变法之前，需建立具有较高精度的固有应变数据库。

这就需要典型焊接接头的焊接计算结果及大量实际经验，同时需借鉴其他行业的焊接结果。

对固有应变数据库的修正、完善是一个长期过程。

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两种方法的综合对比
计算方法 原理 解析法 固有应变有法 热弹塑性有限元分 析方法
焊接热传导理论、 固有应变理论、 FEM 塑性流动法则、虚 结构力学理论 功原理、FEM 分析焊接构件几何 参数及焊接规范参 数 需经验及试验数据 的累积 仅对简单构件，计 算量小 规则梁
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实施步骤
划分网格；加载固有 划分网格；焊接温 应变、非线性大变形 度场的模拟；焊接； 弹性有限元分析 热弹塑性分析 着重焊后构件的变形 计算时间短；计算量 小 任意焊接结构 跟踪焊接全部热力 学过程 计算时间长；计算 量大 任意焊接结构
计算特点 计算花费 适用范围
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主要内容
1
国内外焊接变形预测方法
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固有应变焊接预测法
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基于热弹塑性理论的焊接预测法
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Ab Abaqus 针对焊接行业的解决方案
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达索产品架构 Dassault Systèmes Group
3D MCAD Virtual Product Virtual Testing Virtual Production PLM Collaboration Life Experience
« Shape »
« Emotion »
« Experience »
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Abaqus产品介绍 1、Abaqus产品介绍
Abaqus q 是 SIMULIA 品牌下的专 品牌下的专业有限元分析软件。

有限元分析软件。

SIMULIA 不断 吸取最新的分析理论和计算机技术，领导着全世界非线性有限元技 术和仿真数据管理系统的发展。

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行业优势所在：
在行业应用中： z 以前注重的是再材料破坏范围内的安全性以及稳定性的 验证； z 以后的发展趋势是更加广泛地进行复杂非线性环境甚至 材料破坏下的预测及优化。

b 由于其强大的非线性计算功能无疑比其他软件更具竞争力 由于其强大的非线性计算功能无疑比其他软件更具竞争力。

Abaqus Abaqus软件除了能很好地解决常规的线性问题外，更致力于解决复 杂的非线性问题，这决定了它比其他软件在应用领域上更加广泛和深入。

随着Abaqus稀疏矩阵求解器的改进，其解决线性问题的能力得到大 大加强。

强 Abaqus q 软件在线性静力问题求解和进行Lanczos特征值提取等过 程中计算速度优于其它软件。

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Abaqus的应用领域
医疗事业 军事行业 电子行业 子行
船舶行业
建筑行业
航空行业 汽车行业 核工业 机械加工行业
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Abaqus的主要客户：
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Abaqus产品介绍 2、统一的有限元分析平台Abaqus
Abaqus是由一组有限元分析模块组成的，主要包括： zAbaqus/CAE Ab /CAE——前后处理模块； 前后处理模块 zAbaqus/Standard——隐式求解器模块； zAbaqus/ Explicit——显式求解器模块。

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Abaqus/CAE—有限元前后处理框架系统 a.前后处理模块Abaqus/CAE
Abaqus/CAE将分析模块集成于Complete Abaqus Environment，用 于建模、管理、监控Abaqus的分析过程和结果的可视化处理。

¾ 基于Windows的用户界面，采用流行的大多数CAD软件建 模方式，通过布尔运算、拖拉、旋转、拷贝、镜射、倒角 等多种手段，可以建立起真实地反映工程结构的复杂几何 模型 另外它还是可视 视窗系 ，具有良好的 机交 模型。

另外它还是可视化视窗系统，具有良好的人机交互 特性。

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有限元前后处理框架系统
¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ 参数化建模工具 ，为实际工程结构 的参数设计与优化，结构修改提供 了有力工具。

有力 Abaqus/CAE直接支持各种CAD格式 的导入/导出，能实现与CAD软件的 无缝几何模型传递。

自动有限元建模 ； Abaqus q 求解器紧密结合 ； 具有很强的开放性，可以结合 Python 语言方便的定制用户化界面， 方便用户操作。

数据的兼容性； 结果可视化处理 ； 操作运行性能优良 。

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Abaqus/Standard —通用分析模块 b.通用求解器Abaqus/Standard:
Abaqus/Standard是一个通用分析模块，它能够求解广泛 的线性和非线性问题，包括结构的静态、动态、热和电响 应等。

对于通常同时发生作用的几何、材料和接触非线性 采用自动控制技术处理。

z z z z z z z z 线性/非线性静力分析； 模态分析； 简谐响应分析； 频谱分析； 随机振动分析； 动力响应分析 静/动力接触 动力响应分析、静/动力接触； 屈曲/失稳、失效和破坏分析、机构运动分析等； 具有极强的结构分析能力。

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Abaqus/Explicit —显式分析模块 c.显式求解器Abaqus/Explicit :
z z z z z z
Abaqus/Explicit 是功能齐全的高级显式非线性有限元软件的 求解器。

适用于模拟：
高度非线性动力学分析； 瞬态动力学（冲击、碰撞、水下爆炸等）； 准静态分析； 机构动力学分析； 通用接触分析； 时域地震响应分析等。

Abaqus的显式分析模块与通用分析模块共用相同的单元类型 Ab 和数据结构，这两个模块可以相互结合进行混合运算，为有限 元分析提供了无以匹敌的力量和机动性。

析
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Abaqus的优势 与其它众多商业 CAE 软件相比， Abaqus 具有以下 优势 优势：
¾ ¾ ¾ ¾ Abaqus是公认的非线性求解能力最强的有限元软件 包括材料非线性、几何非线性和接触非线性等 ，精度高。

Abaqus拥有最广泛的结构分析功能 结构静力学/结构动力学/机构动力学(线性/非线性)、高度 非线性瞬态和准静态 动力学、热分析以及耦合场分析等。

Abaqus拥有公认的最优秀的求解器性能 Abaqus 软件的求解器是智能化的求解器，可以解决其它 软件不收敛的非线性问题，其它软件也收敛的非线性问题。

Abaqus拥有最多的单元类型和先进的单元技术 Abaqus拥有同类软件中最多的单元类型，共有580个单元， 用来满足各种类型的分析 。

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Abaqus的优势
¾ Abaqus拥有最丰富的材料本构模型 本构模型是保证分析结果正确性的关键因素，Abaqus提供的材料 本构模型包括材料的本构关系和失效准则等 除常规的金属弹塑性 本构模型包括材料的本构关系和失效准则等，除常规的金属弹塑性 材料外，还可以有效地模拟高分子材料、复合材料、土体、岩石、 混凝土和高温蠕变材料等特殊材料。

功能强大且简单易用的前后处理平台 Abaqus/CAE将建模、分析、工作管理以及结果显式集成于一个一 致的、使用方便的环境中，这使得初学者易于学习和掌握，而经验 丰富的使用者工作效率会更高。

强大的用户定制和二次开发功能 Python y 是一种强大的面向对象的脚本语言，A 种 向 象 脚本 ， baqus/CAE q / 内嵌了该 内 了 语言，并拥有丰富的命令集。

使用Abaqus Scripting Interface，通过 编写脚本就能够实现各种自动化功能，包括几何建模、划分网格、 提交分析工作或自动进行后处理。

¾
¾
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Abaqus在焊接领域的应用 3、焊接仿真的意义
焊接是一个牵涉到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。

要得 到一个高质量的焊接结构必须控制这些因素。

到一个高质量的焊接结构必须控制这些因素 电磁、 电磁 热传导过程
金属的熔化和凝固、 冷却时的相变
焊接应力与变形
一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟，就可以通过计算机系统来 确定焊接各种结构和材料时的最佳设计 最佳工艺方法和焊接参数 确定焊接各种结构和材料时的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。

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Abaqus在焊接领域的应用
针对焊接领域关注的各种线性、非线性、热力耦合，温度场，应力 应变 微裂纹 应变，微裂纹， 疲劳 相变过程等问题Abaqus有针对性的提供了相应 疲劳，相变过程等问题 的有限元分析解决方案。

Abaqus的有限元分析能力已经被全球各大领域工业生产和设计单位 所检验并得到了广泛的认可。

所检验并得到了广泛的认可
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Abaqus在焊接领域的应用
Abaqus具有强大的热固耦合分析功能，包括： z 稳态热传导和瞬态热传导分析； z 顺序耦合热固分析； z 完全耦合热固分析； z 强制对流和辐射分析； z 热界面接触； 热界面接触 z 摩擦生热等。

可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬 化性、高温蠕变等复杂材料模型，来模拟金属、聚合物、复合材料等电 子材料的热学和力学性质。

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Abaqus焊接应用的优势
针对焊接多物理场过程，Abaqus提供强大的热固耦合分析功能，包 括：稳态热传导和瞬态热传导分析，顺序耦合热固分析，完全耦合热固 分析 强制对流和辐射分析 热界面接触 热电耦合等等 可以定义从 分析，强制对流和辐射分析，热界面接触，热电耦合等等。

可以定义从 简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变 等复杂材料模型，来模拟焊接过程中金属材料热学响应和力学响应性能。

Abaqus b 包括 51 种纯热传导和热力耦合单元， 种纯热传导和热力耦合单元 83 种隐式和显式完全 热固耦合单元，覆盖杆、壳、平面应变、平面应力、轴对称和实体各种 单元类型，包括一阶和二阶单元，为用户建模提供极大的方便。

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Abaqus在焊接领域的应用案例
Abaqus广泛应用于焊接的各个方面，可以解决进行焊接过程中如 下方面问题进行分析： ¾ 焊接过程中温度场的计算； 焊接过 中 度场的计算 ¾ 被焊工件应力应变计算 ； ¾ 被焊工件变形分析 ； ¾ 焊缝疲劳性能分析 ； ¾ 焊接接头残余应力分析 ； ¾ 焊接接头微裂纹分析 ； ¾ 焊接接头氢扩散分析 。

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Abaqus在焊接领域的解决方案
金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。

Abaqus b 解决方案 选用隐式求解器 Abaqus/Standard 解决方案：选用隐式求解器 b / d d 进行顺序耦合 热固分析。

z Abaqus中提供丰富的用户子程序接口，包括： z 非均布载荷子程序（DLOAD）； z 热源子程序（DFLUX）； z 接 接触面摩擦行为子程序（ 面摩擦行为子程序（FRIC）等 ）等。

用户可以根据热源的具体参数采用FORTRAN建立热源子程序，在计 算过程中直接通过子程序接口（DFLUX）调用。

对于焊接过程中的热传 导 问 题 ， Abaqus 还 提 供 了 强 大 的 散 热 （ Film Condition ） 和 热 辐 射 (Radiation)功能。

a.熔焊
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b.压焊
Abaqus解决方案：选用显式求解器Abaqus/Explicit来进行分析。

同时，Abaqus提供强大的完全耦合热固分析，强制对流和辐射分析，热时b提供强大的完全耦合热固分析强制对流和辐射分析热
界面接触。

Abaqus/Explicit提供两种算法来模拟接触问题：
z通用接触算法；
z接触对算法；
对于考虑和热传导焊程仿真时，采用热力耦合动z对于考虑接触和热传导的压焊过程仿真时，采用热力耦合的动态分析步，可以进行完全热力耦合分析。

Abaqus提供了丰富的材料模型库，用户可以方便的选择包括金属，工程塑料，泡沫材料等多种材料本构模型，可以考虑材料的塑性，损伤，工程塑料泡沫材料等多种材料本构模型可以考虑材料的塑性损伤
失效，温度相关等非线性效应。

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