摘 要

本文借助当前通用且流行的有限元软件ANSYS，通过模拟计算得到角焊缝三维温度场，对角焊缝上距焊缝不同距离的点进行热循环分析和对温度场的动态变化进行分析。由焊件温度场的分布规律以及热循环分析得出，在整个焊接过程中，近缝区距离焊缝相同距离处薄板温度始终要比厚板温度高。

本文角焊缝热过程研究是基于双丝埋弧焊工艺，以不同尺寸的两块Q345钢中厚板作为研究对象，钢板尺寸分别为500mm×150mm×16mm、500mm×100mm×8mm。选用双椭球热源模型，8mm薄板开40°的单面V形坡口，两块板相夹角度70°，利用ANSYS模拟软件的APDL语言编程功能编写所需的求解角焊缝温度场的命令流，建立角焊缝三维有限元模型，网格划分，施加载荷和求解，双椭球移动热源的加载，以及焊后后处理等，模拟了整个焊接过程，最终得到了焊接温度场云图和相关节点的热循环曲线图，并最终实现了角焊缝热过程的动态模拟分析，得到的结果与相关研究结论基本一致。

研究结果表明，在整个焊接过程中，近缝区距离焊缝相同距离处薄板温度始终要比厚板温度高。

关键词：ANSYS软件 角焊缝 温度场

Abstract

With the help of the universal and popular finite element software ANSYS, three-dimensional temperature field of fillet weld by simulation, thermal cycle analysis and dynamic changes of temperature field are analyzed at different distance from the weld seam on the diagonal. From the analysis of the distribution of temperature field and thermal cycle, it is found that the temperature of the plate is always higher than that of the thick plate at the same distance from the weld in the whole welding process.

In this paper, the thermal process of fillet welds is based on double wire submerged arc welding. The size of two Q345 steel plates of different sizes is taken as the object of study. The sizes of steel plates are 500mm * 150mm * 16mm, 500mm * 100mm * 8mm. The double ellipsoid heat source model, single V groove plate 8mm open 40 degrees, the two plates are clamped angle of 70 degrees, the use of ANSYS simulation software in APDL language programming function of program command stream of fillet welds, the three-dimensional finite element model, meshing, loading and solving, mobile heat load and postprocessing and simulate the whole welding process, finally get the three-dimensional simulation map of welding dynamic temperature field, and finally realize the dynamic simulation of weld thermal process analysis, conclusion and related research results are basically consistent.

The results show that in the whole welding process, the temperature of the plate is always higher than that of the thick plate at the same distance from the weld in the near joint zone.

Key Words：ANSYS software Fillet weld temperature field

目录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2课题研究的背景 1

1.2.1焊接温度场的国内外发展状况 1

1.3本文研究的内容与意义 2

第2章 焊接过程有限元分析理论基础 4

2.1 有限元法介绍 4

2.2有限元法的核心思想 4

2.3有限元方法的特点 4

2.4有限元分析的基本步骤 5

2.5 ANSYS有限元软件 5

2.5.1前处理模块 5

2.5.2施加载荷和求解模块 6

2.5.3后处理模块 7

2.6 焊接热循环参数及应用 8

2.6.1焊接热循环 8

2.6.2焊接热循环的调节方法 9

2.6.3焊接热循环的影响因素 9

第3章 建立角焊缝模型 10

3.1 角焊缝简介 10

3.2研究对象 10

3.3建立几何模型 10

3.4划分网格 11

3.5材料的特性参数 12

3.6确定单元类型 13

3.7 焊接热源模型 14

3.8 初始条件和边界条件的设定 19

3.9 移动热源的加载 20

第4章 角焊缝温度场结果 22

4.1 计算结果及其分析 22

4.1.1 温度场云图 22

4.2 焊件节点温度随时间变化历程 22

4.3 焊接温度场结果分析 23

第5章 结论与展望 25

参考文献 26

致谢 27

第1章 绪论

1.1引言

现代焊接除冷压焊外都要经历加热、熔化和之后的连续冷却过程，所以在整个焊接过程中传热贯穿始终，焊缝区域的温度变化对最终焊缝和热影响区的组织和性能以及对焊接质量和生产率的提高都具有很重要的影响，研究焊接过程中的传热问题是进行冶金分析、应力应变分析、静力分析等的前提^[1]。焊接是一个不均匀加热的过程，数值模拟得到的温度场是一个动态温度场，焊接热过程决定了焊缝质量，在焊接质量控制的研究中，实时检测弧焊热过程的温度场具有十分重要的意义。但是焊接热过程比一般条件下热处理的热过程问题复杂的多，焊接热过程具有局部集中性、瞬时性以及热源的运动性等特点，由这些特点固然就促使了焊接过程中的传热问题会十分复杂，其中精确测量高温阶段时的温度场也是比较困难的，通过大量实验测得的数据不够连续而且这样会提高生产成本。但近年来计算机技术不断的推动数学应用外，随着科学技术的发展，更加创新且高效的测试手段也不断应用在焊接传热学方面，比如焊接数值模拟技术的应用，运用ANSYS有限元分析软件就可以很快速并准确的预测焊缝温度场的变化情况，由此对焊接的结果进行分析、比对。

1.2课题研究的背景

1.2.1焊接温度场的国内外发展状况

焊接热过程具有局部性过不均匀性、热源相对移动、瞬时性等特点，焊接热过程也是一个十分复杂的过程，虽然近些年国内外很多学者对此进行了大量的研究，并取得巨大的进步，但到目前为止仍有很多问题未得到解决。

在20世纪初国外就已经开始了对焊接热过程的研究。1930年，罗森赛尔就对焊接温度场中移动热源在固体中的热传导进行了大量的研究，同年苏联科学家雷卡林对解析法做了大量的假设，他假设热源集中于一点、一线或者一面、材料单热物理性能参数不随温度发生变化、材料在任何温度都是固体不发生相变，焊接构建的几何尺寸是无限的，同通过简化有限元模型、简化热源，分析了焊接热循环得到了焊接温度场验证了焊接传热学理论基础雷卡林公式，但正是前文所述的假设不够准确，忽略了很多问题，且由于当时的科学条件有限，得到的结果不是很理想，他得出远离热源处是准确的，但近处相差比较大，相差100%^[1]。在此之后，1950年，T.Kasuya等考虑分析了焊件内部热源及局部预热处理，对Rosenthal-Rykalin公式进行修正和改造但进展不大^[1]。20世纪60年代开始，由于科学技术的发展，计算机技术的兴起，焊接传热问题得到了进一步的发展^[1]。1975年加拿大的佩雷进行了有限差分法计算，他假设热源在有限的体积内，材料的热物理性能随温度发生变化有雷卡林的假设相反，也假设为工件无限长，并且忽略了散热^[1]。1976年，美国的格鲁斯进行二维有限元模型的研究，他假设导热系数和比热作为温度的函数，首次使用焊接热循环预测验证焊接强度是否可行，考虑了相变潜热，但是忽略热源移动方向上的传热，导致结果还是不够精确^[1]。1980年，S.丘采用有限差分法在热源大小和分布、材料的热物理性能随温度发生变化、熔化潜热等问题作出了巨大的贡献^[1]。之后，J.Goldak提出双椭球热源模型，双椭球热源又称卵形热源，它是一个近似于焊接熔池形状和尺寸的半卵形分布的体积热源，这种热源可以描述深熔表面堆焊或对焊焊缝时的移动热源^[1]。Sonti与Amateau建立了二维热流有限元模型，这个模型试对铝合金材料使用激光深熔焊接的。之后Tekriwall通过二维有限元模型研究了气体保护焊的瞬态变化温度场。但随着电子计算机技术的不断应用，二维模型向三维模型逐步发展^[1]。Subodh Kurmaretal 建立对薄板熔化极气体保护焊数值模型，因此研究了熔深特征^[1]。