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沈阳工业大学硕士学位论文
摘
要
焊接是一个涉及电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的 电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。一旦能够实 现对各种焊接现象的计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材 料的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。 本文在总结前人的工作基础上系统地论述了焊接过程的有限元分析理论，并结合数
值计算的方法，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，提出了基 于ＡＮＳＹＳ软件为平台的焊接温度场和应力场的模拟分析方法，并针对平板堆焊问题进
行了实例计算，而且计算结果与传统结果和理论值相吻合。
本文研究的主要内容包括：在计算过程中材料性能随温度变化而变化，属于材 料非线性问题；选用高斯函数分布的热源模型，利用函数功能实现热源的移动。建 立了焊接瞬态温度分布数学模型，解决了焊接热源移动的数学模拟问题；通过改变 单元属性的方法，解决材料的熔化、凝固问题；对焊缝金属的熔化和凝固进行了有
效模拟，解决了进行热应力计算收敛困难或不收敛的问题；对焊接过程产生的应力 进行了实时动态模拟，利用本文模拟分析方法，可以对焊接过程的热应力及残余应 力进行预测。
本文建立了可行的三维焊接温度场、应力场的动态模拟分析方法，为优化焊接 结构工艺和焊接规范参数，提供了理论依据和指导。
关键词：焊接，数值模拟，有限元，温度场，应力场
沈阳工业大学硕士学位论文
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｓ ａ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｐｈｙｓｉｃｏｃｈｅｍｉｃａ／ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｌｆｉｅｈ ｉｎｖｏｌｖｅｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ，
Ｍａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ，ｍｅｔａｌ ｍｅｌｔｉｎｇ ａｎｄ ｆｒｅｅｚｉｎｇ，ｐｈａｓｅ?ｃｈａｎｇｅ ｗｅｌｄｉｎｇ
ＳＯ
ｓｔｒｅｓｓ
ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ
ｏｎ，Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｇｅｔ ｈｉｇｈ ｑｕａｆｉｔｙ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｔｍｃｔｔｌｒｅ，ｔｈｅｓｅ ｆａｃｔｏｒｓ ｈａｖｅ ｔｏ ｂｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ．Ｉｆ
ｃａｎ
ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ
ｂｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｅ
ｂｅｓｔ ｄｅｓｉｇｎ，ｐｍｃｅｄｕｒｅ
ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ
ｏｐｔｉｍｕｍ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
Ｂａｓｅｄ
Ｏｉｌ
ｓｕｍｍｉｎｇ ｕｐ ｏｔｈｅｒ’Ｓ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒ ｓｙｓｔｅｍｉｃａｌｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈ
ｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
ａｎａｌ删ｓｙｓｔｅｍ
ｏｆ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ
ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｙ ｒｅａｌｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ３Ｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ
ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ
ｆｉｅｌｄ，
ｔｈｅｎ
ｕｓｅｓ
ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｂｏａｒｄ ｓｕｒｆａｃｉｎｇ ｂｙ ＦＥＭ ｓｏｆｔ
ＡＮＳＹＳ．Ａｔ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｒｅｓｕｌｔ．
ｓａｍｅ
ｔｉｍｅ．ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ａｃｃｏｒｄｓ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔ ａｎｄ
Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ
ａｒｅ ａｓ
ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ：ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｓ
ａ
ｍａｔｅｒｉａｌ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｃｈａｎｇｅ
ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆＧａｕｓｓ
ａｓ
ｗｉｔｈ
ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｃｈｏｏｓｅ
ｈｅａｔ
ｓｏｕｒｃｅ
ｍｏｄｅｌ．ｕｓｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃｏｍｍａｎｄ ｔｏ ａｐｐｌｙ ｌｏａｄ ｏｆｍｏｖｉｎｇ
ｈｅａｔ Ｓ０１２Ｉｅ－２．Ａ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｏ
ｓｉｍｕｌａｔｅ
ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｓｏＢｒｃｅ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｍｅｓｈ ｓｉｚｅ，ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ，ｗｅｌｄｉｎｇ
ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ
ｒａｄｉｕｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃ
ａｒｃ ｏｎ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
ｆｉｅｌｄ ａ比ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ
ｆｕｓｉｏｎ ａｎｄ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｓｏｌｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ
ｏｒ
ｔｈｅ ｕｎ—ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ
ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｌＴｅｓｓ ｉｓ ｓｏｌｖｅｄ；ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ
ｐｒｏｄｕｃｅｄ
ｉｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ Ｓｌｌ℃ＳＳ ｉｎ ｗｅｌｄｉｎｇ
ｃａｎ
ｂｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ
ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ ｆｅａｓｉｂｌｅ
ｓｌＩｅｓｓ
ｄｙｎ黜ｆｉｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ
ｏｎ
３Ｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ，
ｏｎ
ｆｉｅｌｄ ｈａｄ ｂｅｅｎ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｓ
ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ
ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．buchi
ＫＥＹ
ＷＯＲＤ：Ｗｅｌｄｉｎｇ，Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ，Ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ
．２．
独创性说明
本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。
签名：土莨列
日期：刀盯．孑．Ｌｒ
关于论文使用授权的说明
本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论
文。
（保密的论文在解密后应遵循此规定）
签名：量盘垂ｉ
导师签名：釜塑幽垒 日期：砌乒毒．／彳
沈阳：Ｌ业大学硕士学位论文
１绪论
１．１前言
焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占有重要地位。但焊接 是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、
传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊
接应力和变形，不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构的使用性能。这些
缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高集中的瞬时热输入，在焊接过 程中和焊后将产生相当大的残余应力（焊接残余应力）和变形（焊接残余变形、焊接收 缩、焊接翘曲），而且焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力影响构件的变形和焊 接缺陷，而且在一定程度还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此，在设计和施工 时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率 的主要问题之一，焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程，而且还影响焊接结构 的使用性能［１～Ｉ。因此对焊接温度场和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。 传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但 仅从实验角度研究焊接热应力和焊后残余应力和变形问题难度很大，无前瞻性，不能全
面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响，客观评价焊接质量。随着差分法、有限
元法的不断完善，焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。在研究焊接
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