厚板多道焊的焊接热源校核
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创建了分析步后，ABAQUS/CAE会自动创建默认的场 变量输出要求和历史变量输出要求。单击工具区中的 Create Field Output工具右侧的Field Output Manager工具和 Create History Output工具右侧的Field History Manager工具， 分别弹出场变量输出要求管理器和历史变量输出要求管理 器，在管理器中进行场变量输出要求的创建、复制、重命 名、删除、编辑等。
4热源模型校核结果与讨论
所谓的焊接热源模型，可以认为是对作 用于焊件上的、在时间域和空间域上的热 输入分布特点的一种数学表达。热输入一 般可用温度、热流、生热率或热流密度等 来表示。在焊接数值模拟问题中，焊接热 源模型是以一个热输入边界条件的形式结 合到数值分析模型中去的。
双椭球型热源模型:
这种模型将前半部分作为一个1/4 椭球, 后半部分作为另一个1/4 椭球。设前 半部分椭球能量分数为f 1, 后半部分椭球能量分数f 2, 且f 1+ f 2= 2。
数值模拟
随着计算机、信息、网络等技术的飞跃发展， 数值模拟技术已渗透到焊接的各个领域，关键部 件焊接过程仿真技术的实现，对优化工艺过程， 提高产品质量和消除安全隐患起着日益重要、 甚 至不可替代的作用。焊接数值模拟的理论意义在 于,通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和 对极端情况下尚不知的规则的推测和预测,实现对 复杂焊接现象的模拟,以助于认清焊接现象本质,弄 清焊接过程规律。焊接数值模拟的现实意义在于, 根据对焊接现象和过程的数值模拟,可以优化结构 设计和工艺设计,从而减少试验工作量,提高焊接接 头的质量。
定义载荷
选择Module列表中的Load， 进入Load功能模块。主菜单中 的Load菜单及工具区中第一行 的 Create Load 工具和 Load Manager工具用于载荷的创建 和管理。在 Create Load 对话 框中的Name栏输入载荷名称 Load1-Load9，在Step内选择 用于创建的分析步 Step1—— Step9 ，其他采用默认选项 thermal、surface flux完成载荷 施加，视图区的焊缝表面出现 表示集中力的箭头，如右图所 示。
划分网格
为了控制焊接温度,采用小的焊接工艺参数,即小电流、小电压和低的焊接 速度.由于焊接速度较慢(v<10 mm/s),为了准确地预测焊接温度场分布, 保证计 算精度和提高计算速度,将其划分为不均匀网格,在焊缝及其附近区域采用较细 的网格,而在远离焊缝处采用较粗的网格.下图是划分网格后的焊接模型。
焊接过程有限元分析的特点
• (1)模型是三维的，至少在焊接区域如此，以反映内部和 表面的不同冷却条件;
• (2)由于快速加热和冷却，模拟的过程是高度瞬态的，具 有与位置和时间相关的极不相同的梯度场;
• (3)由于材料的热一力行为，模拟的过程是高度非线性的， 并与温度密切相关;
• (4)局部材料的瞬态行为取决于局部热的历史和力学的应 力应变历史;
数学模型
在科学研究中，模型是人们用以认识事物的一 种手段和工具。
数学模型是用数学语言描述的某个现实世界的 模型。数学模型可以定量地描述事物的内在联系 和变化规律。因此，建立某个系统的数学模型， 是人们对该事物认识的一个质的飞跃。数学模型 也可分为静态和动态两类。建立数学模型必须正 确理解现象，数学求解若能很好地说明实验和调 查的结果，则此数学模型是正确的。
3厚板多焊道有限元模型的建立
• 3.1ABAQUS软件 • 3.2建模 • 3.3定义分析步和输出 • 3.4定义载荷 • 3.5划分网格
ABAQUS软件
ABAQUS是功能最强的有限元分析软件之一，特别是在 非线性分析领域，其技术和特点更是独树一帜，它融结构、 传热学、流体、声学、电学以及热固耦合、流固耦合、热 电耦合、声固耦合于一体，可以分析复杂的固体力学、结 构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟 高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和 多物理场分析，同时可以做系统级的分析研究。ABAQUS 软件以其强大的有限元分析功能和CAE功能，被广泛运用 于机械制造、土木工程、隧道桥梁、水利水工、汽车制造、 船舶工业、航空航天、核工业、石油化工、生物医学、军 用、民用等领域。ABAQUS能够求解各种复杂的模型并能 解决实际工程问题，在分析能力和可靠性等方面赢得广大 用户的赞誉。
潜热
潜热 mJ/mol
2.77e+11
固相温度 K
1753
比热
液相温度 K
1793
比热 mm2/(s2·K )
4.5e+08 4.58e+08 4.94e+08 5.26e+08 5.66e+08 6.15e+08 6.84e+08 7.79e+08
4e+08
温度 K 273 293 373 473 573 673 773
本课题选取Q345为试验材料，采用不同性能的 材料分别对焊接热源进行校验，并对多道焊截面 进行建模并进行网格划分。
2.有限元计算原理
• 2.1焊接过程有限元分析理论 • 2.2焊接过程有限元分析特点 • 2.3焊接有限元模型的简化
焊接过程有限元分析理论
有限元法（Finite Element Method，FEM），也 称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将求 解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连 接在一起的单元的组合体。它是随着电子计算机 的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。利 用有限元分析时，首先将分析物体离散成为许多 小单元，其次，给定边界条件、载荷和材料特性， 再求解线性或非线性方程组，得到位移、应力、 应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形 技术显示计算结果。
1273 1773
热膨胀系数
热膨胀系数 /℃
6.12e-06 6.17e-06 8.31e-06 1.099e-05 1.231e-05 1.322e-05 1.371e-05 1.616e-05 1.861e-05
温度 K 273 293 373 473 573 673 773
1273 1773
前1/4椭球的功率密度函数为：
q(x, y, z,t)
f f 6 3
a2c
3 2
后1/4椭球的功率密度函数为：
焊接数值模拟的前景与展望
在计算机技术日益发展的今天，采用数值方法 来模拟复杂的焊接现象已经取得了很大的进展。 数值模拟技术已经渗入到焊接的各个领域，取得 了可喜的成绩。然而应该看到这些研究还是初步 的，还有许多深入的研究工作要做。关键是要进 一步认识焊接模拟技术的意义和作用，同时必须 正确和真实地掌握和阐明焊接现象的本质，才能 建立起准确的数学模型。而正确的数值模拟也有 助于对焊接过程的进一步理解。焊接数值模拟更 重要的作用是优化结构设计和工艺设计，提高焊 接接头的质量。因此焊接数值模拟技术具有重要 的理论意义和实际应用价值。
厚板多道焊的焊接热源校核
班级： 姓名： 指导教师：
主要内容
• 1.绪论 • 2.有限元计算原理 • 3.厚板多道焊有限元模型的建立 • 4.热源模型校核结果与讨论 • 5.结论
1.绪论
• 1.1选题背景 • 1.2数值模拟 • 1.3数学模型 • 1.4有限元 • 1.5数值模拟技术在焊接中的应用 • 1.6焊接数值模拟的前景与展望 • 1.7本课题研究的主要内容和意义
1273 1773
定义装配件
在环境栏的Module列表中选择 Assembly功能模块。单击工具 区中的Instance Part工具，弹出 Create Instance对话框，如右图 所示。程序自动选择之前创建
的truss部件，其他参数都选用 默认选项，单击OK按钮，完成 部件实体的创建。此时，视图 区出现一个直角笛卡尔坐标系， 该焊接模型处于整体坐标系的 X-Y平面内。由于该模型只包 含一个部件，不需要进行其他 操作。
有限元
有限元法是焊接模拟技术中适应电子计算机而 发展起来的一种有效方法，它已经成功地解决了 工程领域中的许多问题，广泛地用于研究焊接热 传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构 的断裂力学的分析等。
有限元法是适应使用电子计算机而发展起来的 一种比较新颖和有效的数值方法。这个方法20世 纪50年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。 1来自百度文库60年被推广用来求解弹性力学的平面应力问题。 虽然这一方法起源于结构分析，但是，由于它所 依据的理论的普遍性，已经能够成功地用来求解 其他工程领域中的许多问题。
定义分析步和输出
进入Step功能模块后，主菜单中的Step菜单及工具区中 第一行的Create Step工具和Step Manager工具用于分析步的 创建和管理。
创建一个模型数据库后，ABAQUS/CAE默认创建初始 步（Initial），位于所有分析步之前。在初始步后创建一 个或几个分析步，单击工具区中的Create Step工具，弹出 Create Step对话框。由于该模型为厚板多道焊，所以创建9 个分析步。
ABAQUS分析过程
钢管与吊座的焊接的几何模型及其焊道层数和顺序
各焊道的焊接工艺参数
焊道 1
2
3
4
5
6
7
8
9
参数
焊速 cm/m 20 18.5 28 19 20 21 28 38 42
in
电流 A 200 263 263 263 263 263 263 251 251
电压 V 19 25.2 25.2 25.2 25.2 25.2 25.2 26.8 26.8
本课题研究的主要内容和意义
焊接热源具有局部集中、瞬时和快速移动的特 点，易形成在时间和空间域内梯度都很大的不均 匀温度场，而这种不均匀温度场乃是进行焊接力 学分析的基础。要想准确预测焊接残余应力的分 布以及焊缝强度等就必须保证焊接热循环的准确 性，就需要建立一个好的焊接热源模型，因此， 焊接热源模型的建立是焊接模拟过程中不容忽视 的重要部分。
在Create Part中创建2D Planar并在Type中选择Deformable，在Base Feature中选择Shell。在草图绘制界面绘制草图 ：
试件材料为Q345钢，其各项热物理性能如下：
导热率
导热率 T·mm/(s3·K )
51.9 51.74 51.1
49 46.1 42.7 39.4 27.2 29.7
数值模拟技术在焊接中的应用
目前，焊接数值模拟已遍及各个焊接领域，主要研究内容有： （1）焊接热传导分析 （2）焊接熔池流体动力学 （3）电弧物理 （4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测 （5）焊接应力与变形 （6）焊接过程中的氢扩散 （7）特殊焊接过程的数值分析，如电阻点焊、陶瓷金属连
接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等 （8）焊接接头的力学行为
• (5)焊接材料熔敷以及凝固后改变构件的连接状况; • (6)焊接材料的状态及显微组织变化; • (7)临界情况下可能发生的缺陷和裂纹，使连续介质的概
念受到怀疑。
焊接有限元模型的简化
非线性瞬态热传导问题分析的基本控制方程为:
其中，c为材料比热容，随温度变化; ρ 为材料密度; λ 为导热系数，随温度变化; T为温度场分布函数; Q 为内热源; t为传热时间。
选题背景
焊接方法经济、灵活，能简化结构的构造细 节，节约材料，提高生产效率，改善工人劳动条 件。因此，目前大部分的工业产品，以及能源工 程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程、 大型厂房、高层建筑等重要结构，无一不采用焊 接结构。在研究焊接生产技术时，往往采用试验 手段作为基本方法，但大量的试验增加了生产成 本，耗费人力物力，而数值模拟将发挥其独特的 能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞 速发展，为数值模拟技术提供了有力的工具，很 多焊接过程可以采用计算机数值模拟。
温度 K 273 293 373 473 573 673 773
1273 1773
密度
质量密度 109kg/m3 7.872e-09 7.866e-09 7.845e-09 7.816e-09 7.74e-09 7.733e-09 7.711e-09 7.578e-09 7.552e-09
温度 K 273 293 373 473 573 673 773
4热源模型校核结果与讨论
所谓的焊接热源模型，可以认为是对作 用于焊件上的、在时间域和空间域上的热 输入分布特点的一种数学表达。热输入一 般可用温度、热流、生热率或热流密度等 来表示。在焊接数值模拟问题中，焊接热 源模型是以一个热输入边界条件的形式结 合到数值分析模型中去的。
双椭球型热源模型:
这种模型将前半部分作为一个1/4 椭球, 后半部分作为另一个1/4 椭球。设前 半部分椭球能量分数为f 1, 后半部分椭球能量分数f 2, 且f 1+ f 2= 2。
数值模拟
随着计算机、信息、网络等技术的飞跃发展， 数值模拟技术已渗透到焊接的各个领域，关键部 件焊接过程仿真技术的实现，对优化工艺过程， 提高产品质量和消除安全隐患起着日益重要、 甚 至不可替代的作用。焊接数值模拟的理论意义在 于,通过对复杂或不可观察的现象进行定量分析和 对极端情况下尚不知的规则的推测和预测,实现对 复杂焊接现象的模拟,以助于认清焊接现象本质,弄 清焊接过程规律。焊接数值模拟的现实意义在于, 根据对焊接现象和过程的数值模拟,可以优化结构 设计和工艺设计,从而减少试验工作量,提高焊接接 头的质量。
定义载荷
选择Module列表中的Load， 进入Load功能模块。主菜单中 的Load菜单及工具区中第一行 的 Create Load 工具和 Load Manager工具用于载荷的创建 和管理。在 Create Load 对话 框中的Name栏输入载荷名称 Load1-Load9，在Step内选择 用于创建的分析步 Step1—— Step9 ，其他采用默认选项 thermal、surface flux完成载荷 施加，视图区的焊缝表面出现 表示集中力的箭头，如右图所 示。
划分网格
为了控制焊接温度,采用小的焊接工艺参数,即小电流、小电压和低的焊接 速度.由于焊接速度较慢(v<10 mm/s),为了准确地预测焊接温度场分布, 保证计 算精度和提高计算速度,将其划分为不均匀网格,在焊缝及其附近区域采用较细 的网格,而在远离焊缝处采用较粗的网格.下图是划分网格后的焊接模型。
焊接过程有限元分析的特点
• (1)模型是三维的，至少在焊接区域如此，以反映内部和 表面的不同冷却条件;
• (2)由于快速加热和冷却，模拟的过程是高度瞬态的，具 有与位置和时间相关的极不相同的梯度场;
• (3)由于材料的热一力行为，模拟的过程是高度非线性的， 并与温度密切相关;
• (4)局部材料的瞬态行为取决于局部热的历史和力学的应 力应变历史;
数学模型
在科学研究中，模型是人们用以认识事物的一 种手段和工具。
数学模型是用数学语言描述的某个现实世界的 模型。数学模型可以定量地描述事物的内在联系 和变化规律。因此，建立某个系统的数学模型， 是人们对该事物认识的一个质的飞跃。数学模型 也可分为静态和动态两类。建立数学模型必须正 确理解现象，数学求解若能很好地说明实验和调 查的结果，则此数学模型是正确的。
3厚板多焊道有限元模型的建立
• 3.1ABAQUS软件 • 3.2建模 • 3.3定义分析步和输出 • 3.4定义载荷 • 3.5划分网格
ABAQUS软件
ABAQUS是功能最强的有限元分析软件之一，特别是在 非线性分析领域，其技术和特点更是独树一帜，它融结构、 传热学、流体、声学、电学以及热固耦合、流固耦合、热 电耦合、声固耦合于一体，可以分析复杂的固体力学、结 构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟 高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和 多物理场分析，同时可以做系统级的分析研究。ABAQUS 软件以其强大的有限元分析功能和CAE功能，被广泛运用 于机械制造、土木工程、隧道桥梁、水利水工、汽车制造、 船舶工业、航空航天、核工业、石油化工、生物医学、军 用、民用等领域。ABAQUS能够求解各种复杂的模型并能 解决实际工程问题，在分析能力和可靠性等方面赢得广大 用户的赞誉。
潜热
潜热 mJ/mol
2.77e+11
固相温度 K
1753
比热
液相温度 K
1793
比热 mm2/(s2·K )
4.5e+08 4.58e+08 4.94e+08 5.26e+08 5.66e+08 6.15e+08 6.84e+08 7.79e+08
4e+08
温度 K 273 293 373 473 573 673 773
本课题选取Q345为试验材料，采用不同性能的 材料分别对焊接热源进行校验，并对多道焊截面 进行建模并进行网格划分。
2.有限元计算原理
• 2.1焊接过程有限元分析理论 • 2.2焊接过程有限元分析特点 • 2.3焊接有限元模型的简化
焊接过程有限元分析理论
有限元法（Finite Element Method，FEM），也 称为有限单元法或有限元素法，基本思想是将求 解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连 接在一起的单元的组合体。它是随着电子计算机 的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。利 用有限元分析时，首先将分析物体离散成为许多 小单元，其次，给定边界条件、载荷和材料特性， 再求解线性或非线性方程组，得到位移、应力、 应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形 技术显示计算结果。
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热膨胀系数
热膨胀系数 /℃
6.12e-06 6.17e-06 8.31e-06 1.099e-05 1.231e-05 1.322e-05 1.371e-05 1.616e-05 1.861e-05
温度 K 273 293 373 473 573 673 773
1273 1773
前1/4椭球的功率密度函数为：
q(x, y, z,t)
f f 6 3
a2c
3 2
后1/4椭球的功率密度函数为：
焊接数值模拟的前景与展望
在计算机技术日益发展的今天，采用数值方法 来模拟复杂的焊接现象已经取得了很大的进展。 数值模拟技术已经渗入到焊接的各个领域，取得 了可喜的成绩。然而应该看到这些研究还是初步 的，还有许多深入的研究工作要做。关键是要进 一步认识焊接模拟技术的意义和作用，同时必须 正确和真实地掌握和阐明焊接现象的本质，才能 建立起准确的数学模型。而正确的数值模拟也有 助于对焊接过程的进一步理解。焊接数值模拟更 重要的作用是优化结构设计和工艺设计，提高焊 接接头的质量。因此焊接数值模拟技术具有重要 的理论意义和实际应用价值。
厚板多道焊的焊接热源校核
班级： 姓名： 指导教师：
主要内容
• 1.绪论 • 2.有限元计算原理 • 3.厚板多道焊有限元模型的建立 • 4.热源模型校核结果与讨论 • 5.结论
1.绪论
• 1.1选题背景 • 1.2数值模拟 • 1.3数学模型 • 1.4有限元 • 1.5数值模拟技术在焊接中的应用 • 1.6焊接数值模拟的前景与展望 • 1.7本课题研究的主要内容和意义
1273 1773
定义装配件
在环境栏的Module列表中选择 Assembly功能模块。单击工具 区中的Instance Part工具，弹出 Create Instance对话框，如右图 所示。程序自动选择之前创建
的truss部件，其他参数都选用 默认选项，单击OK按钮，完成 部件实体的创建。此时，视图 区出现一个直角笛卡尔坐标系， 该焊接模型处于整体坐标系的 X-Y平面内。由于该模型只包 含一个部件，不需要进行其他 操作。
有限元
有限元法是焊接模拟技术中适应电子计算机而 发展起来的一种有效方法，它已经成功地解决了 工程领域中的许多问题，广泛地用于研究焊接热 传导、焊接热弹塑性应力和变形分析、焊接结构 的断裂力学的分析等。
有限元法是适应使用电子计算机而发展起来的 一种比较新颖和有效的数值方法。这个方法20世 纪50年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。 1来自百度文库60年被推广用来求解弹性力学的平面应力问题。 虽然这一方法起源于结构分析，但是，由于它所 依据的理论的普遍性，已经能够成功地用来求解 其他工程领域中的许多问题。
定义分析步和输出
进入Step功能模块后，主菜单中的Step菜单及工具区中 第一行的Create Step工具和Step Manager工具用于分析步的 创建和管理。
创建一个模型数据库后，ABAQUS/CAE默认创建初始 步（Initial），位于所有分析步之前。在初始步后创建一 个或几个分析步，单击工具区中的Create Step工具，弹出 Create Step对话框。由于该模型为厚板多道焊，所以创建9 个分析步。
ABAQUS分析过程
钢管与吊座的焊接的几何模型及其焊道层数和顺序
各焊道的焊接工艺参数
焊道 1
2
3
4
5
6
7
8
9
参数
焊速 cm/m 20 18.5 28 19 20 21 28 38 42
in
电流 A 200 263 263 263 263 263 263 251 251
电压 V 19 25.2 25.2 25.2 25.2 25.2 25.2 26.8 26.8
本课题研究的主要内容和意义
焊接热源具有局部集中、瞬时和快速移动的特 点，易形成在时间和空间域内梯度都很大的不均 匀温度场，而这种不均匀温度场乃是进行焊接力 学分析的基础。要想准确预测焊接残余应力的分 布以及焊缝强度等就必须保证焊接热循环的准确 性，就需要建立一个好的焊接热源模型，因此， 焊接热源模型的建立是焊接模拟过程中不容忽视 的重要部分。
在Create Part中创建2D Planar并在Type中选择Deformable，在Base Feature中选择Shell。在草图绘制界面绘制草图 ：
试件材料为Q345钢，其各项热物理性能如下：
导热率
导热率 T·mm/(s3·K )
51.9 51.74 51.1
49 46.1 42.7 39.4 27.2 29.7
数值模拟技术在焊接中的应用
目前，焊接数值模拟已遍及各个焊接领域，主要研究内容有： （1）焊接热传导分析 （2）焊接熔池流体动力学 （3）电弧物理 （4）焊接冶金和焊接接头组织性能的预测 （5）焊接应力与变形 （6）焊接过程中的氢扩散 （7）特殊焊接过程的数值分析，如电阻点焊、陶瓷金属连
接、激光焊接、摩擦焊接和瞬态液相焊接等 （8）焊接接头的力学行为
• (5)焊接材料熔敷以及凝固后改变构件的连接状况; • (6)焊接材料的状态及显微组织变化; • (7)临界情况下可能发生的缺陷和裂纹，使连续介质的概
念受到怀疑。
焊接有限元模型的简化
非线性瞬态热传导问题分析的基本控制方程为:
其中，c为材料比热容，随温度变化; ρ 为材料密度; λ 为导热系数，随温度变化; T为温度场分布函数; Q 为内热源; t为传热时间。
选题背景
焊接方法经济、灵活，能简化结构的构造细 节，节约材料，提高生产效率，改善工人劳动条 件。因此，目前大部分的工业产品，以及能源工 程、海洋工程、航空航天工程、石油化工工程、 大型厂房、高层建筑等重要结构，无一不采用焊 接结构。在研究焊接生产技术时，往往采用试验 手段作为基本方法，但大量的试验增加了生产成 本，耗费人力物力，而数值模拟将发挥其独特的 能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞 速发展，为数值模拟技术提供了有力的工具，很 多焊接过程可以采用计算机数值模拟。
温度 K 273 293 373 473 573 673 773
1273 1773
密度
质量密度 109kg/m3 7.872e-09 7.866e-09 7.845e-09 7.816e-09 7.74e-09 7.733e-09 7.711e-09 7.578e-09 7.552e-09
温度 K 273 293 373 473 573 673 773