摘 要

焊接是一个局部迅速加热到高温、然后又立即冷却的过程。随着热源的加载，焊件整体温度会急剧变化，导致温度场分布不均匀，而产生焊接应力与变形，直接影响焊接质量和焊接工艺性能。因此,对焊接温度场、应力场的分析和模拟有着重大的意义。

本文研究的主要内容有：通过对焊接温度场的模拟，解决了焊接热源移动的模拟问题；利用ANSYS的函数功能来实现高斯热源热源的移动；通过采取间接法对焊接应力场进行分析，可以对焊接残余应力进行有效预测。

本文利用现有的ANSYS软件对焊接过程产生的温度场、应力场进行了实时动态模拟研究，对平板堆焊问题进行了一系列的模拟以及计算，计算结果与实验值相一致。同时，促进了有限元法的发展，以及为焊接工艺参数的选择提供了理论指导。

关键词：数值模拟技术，焊接温度场，焊接应力场，有限元法

Numerical analysis of welding stress based on ANSYS

Abstract

Welding is a process of rapidly heating up to a high position and then cooling it immediately, With the load of heat source, the temperature of the welding parts will change dramatically, resulting in uneven distribution of temperature field, and the welding stress and deformation,will affects the welding quality and welding process performance directly.Therefore, the analysis and Simulation of the welding temperature field, stress field is meaningful.

The main contents of this paper are: the simulation of welding heat source movement was solved by the simulation of welding temperature field; the movement of Gauss heat source was achieved by using the function of ANSYS;The welding stress field is analyzed by indirect method, then the welding residual stress can be predicted effectively.

In this paper, the existing ANSYS software is used to simulate the temperature field and the stress field in the welding process, a series of simulation and calculation are carried out for the plate surfacing, .The calculated results are in agreement with the experimental results. At the same time, it promotes the development of the finite element method,and provides theoretical guidance for the selection of welding parameters.

Key words: numerical simulation technology, welding temperature field, welding stress field, finite element method

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及其意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究的内容及其意义 2

第2章 焊接热弹塑性有限元分析理论 3

2.1 有限元法介绍 3

2.2 ANSYS软件介绍 3

2.3 焊接组织过程有限元分析特点 3

2.4 焊接有限元模型的简化 4

2.5 焊接温度场的分析理论 4

第3章 平板堆焊条件下焊接温度场数值模拟 6

3.1 建模 7

3.1.1 几何模型的确定 7

3.1.2 材料特性参数 7

3.1.3 确定单元类型 8

3.1.4 划分网格 8

3.1.5 确定热源模型 11

3.2 温度场求解 11

3.2.1 时间步长的确定 11

3.2.2 移动热源的加载 11

3.3.3 求解的命令流 12

3.3 本章小结 12

第4章 焊接温度场计算结果分析 14

4.1 温度场后处理 14

4.2 焊接过程中温度场的分布 14

4.3 本章小结 18

第5章 焊接应力场分析 19

5.1 焊接应力与变形理论分析 19

5.2 焊接应力场仿真模拟及其结果分析 19

5.3 本章小结 23

第6章 全文总结与展望 24

6.1 本文结论 24

6.2 研究展望 25

参考文献 26

致谢 27

附录 28

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及其意义

焊接是通过加热或者加压，使得原子结合的一种方法。焊接作为现代生活不可缺少的一种手段，可以被用来获得高质量和高性能的产品。焊接作为一个重要的技术产业，在国民经济中也有着不可或缺的重要作用。一旦能够对焊接现象进行模拟，就可以通过计算机来选取合适的结构尺寸和最佳的工艺性能。

焊接是一个局部迅速加热到高温、然后又立即冷却的过程。焊接过程中，随着焊接温度场的升高，焊件内部会发生复杂的物理性能的变化，同时由于温度场分布的不均匀性，会产生相当大的应力与变形，而焊接应力应变的存在会直接影响焊接质量,也会大大影响焊接工艺性能，因此,对焊接温度场、应力场的分析和模拟有着重大的意义。

1.2 国内外研究现状

对国外而言，焊接温度场应力场的研究起始于二十世纪三十年代，然而当时的工作由于条件的限制，只可以是定性的研究。到了五十年代，著名的前苏联学者奥凯尔布洛母等人充分利用图解图表的形式分析了焊接过程中的弹性性质以及动态变化过程。六十年代，计算机的推广以及应用变得广泛起来，这样人们才开始对焊接温度场和应力场开始进行了模拟。同样的，在1971年，知名学者Lwaki编写了适用于分析板平面堆焊热应力的二维有限元分析法，这也使得有限元技术得到了大大的发展。九十年代之后，随着计算机的广泛应用以及性能的提高，学者们对焊接应力的研究更加深入。1992年的Chen等人对厚板表面熔化焊时的应力运用数值模拟方法进行了分析，实验过程中考虑到融化潜热及固液相转变时应力的变化，其计算出的残余应力和实验值相当一致。近代对于应力场的研究更是硕果累累，比如英国的一个焊接研究所开发了一个非常实用的“结构变形预测系统”，它能够用来准确预测复杂结构的焊接变形。2012年，海因策等人研究了热源模型对焊接变形数值计算结果质量的影响，这也使得有限元分析法的应用得到了进一步的深入^[4]。

对于国内，焊接应力的数值模拟分析开始于20世纪70年代，首先是西安交通大学的楼志文等学者把数值分析的技术应用到焊接温度场的分析中，编制了一套关于塑性有限元的分析程序而且对简单的焊接问题进行了分析^[18]。到了八十年代，上交焊接研究工作室也在焊接热传导方面做了很多分析，尤其是对非线性瞬态温度场进行了有限元分析^[19]。到了九十年代，国内著名的上海交通大学和日本大阪大学一起对三维焊接应力问题进行了深刻的研究，在研究过程中，他们提出了改善精度的若干途径和方法，编制和发展了三维焊接分析程序，并有不少成功的案例^[17]。清华大学、天津大学也进行了焊接力学过程的数值计算模拟，而且取得了不小的成就。清华大学蔡志鹏等人，简化热源模型，用串热源模型代替高斯热源模型进行了焊接应力应变分析^[20]。天津大学直接分析出了局部残余应力分布数值分析的结果。总之，焊接应力数值分析在近代的研究也是硕果累累。