３应力应变场计算
ＡＮＳＹＳ软件有两种计算热力耦合的方法：直 接耦合和间接耦合。在此采用间接法模拟焊接过程 的热一力耦合。即只考虑温度场对应力场的作用，而 忽略应力场对温度场的作用。首先进行热分析，热分 析结束后，重新进入前处理，将热单元转换为相应 的结构单元，此时热单元Ｓｏｌｉｄ７０转换为结构单元 Ｓｏｌｉｄ４５。然后设置结构分析中的材料属性，将弹性模 量、泊松比、热膨胀系数、密度和屈服极限的值输入翻。
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（ｌｏ６Ｊ）
式中ｑ＝，７ＩＵ（叼为电弧热效率，，为焊接电流，Ｕ为 焊接电压）；秽是焊接电弧移动速度；戈、Ｙ分别是该点 与以焊接起始点为坐标原点的Ｘ、ｙ向距离；ｔ是焊 接电弧移动时间。利用ＡＮＹＳ参数化程序语言ＡＰＤＬ 比较容易实现移动热源的加载求解。
采用ＡＮＹＳ的ＡＰＤＬ加载求解移动的焊接电 弧时，先定义三维表格数组参数用来存储不同时刻 和不同位置热流密度值。加载求解之前，先根据式５ 将不同时刻和不同位置的热流密度值存储在表格 参数中。热源的移动以步进方式处理，在求解计算过 程中，当电弧热源从一个时间步移动到下一个时间 步时，求解器将自动从该表格参数读取下一载荷步
第３７卷第７期 ２００ｒ７年７月
重晖娥
Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ
Ｖ０１．３７ Ｎｏ．７ Ｊｕｌ．２００７
基乎渡瓣８Ｖ誊曲焊接道褪宥稂菰模拟
刘兴龙１，曲仕尧２，邹增大２。王新洪２
（１．南车四方机车车辆股份有限公司，山东青岛２６６０３１；２．山东大学材料科学与工程学 院，山东济南２５００６１）
温度场计算时，将模型的对称面定义为绝热边
’堡二孽绝丝霪疑臻堡照塾… 万方数据
界条件，即
罢－０。 。
（、 ２７）
ｄｎ
其他周围表面定义为换热边界条件，即
Ａ｛Ｌ＝０【（７Ｔａ＿功。
（３）
式中 珐是边界表面外法线方向；口是表面换热系 数；乃是周围介质温度；疋是物体表面温度。
换热系数理包括对流表面换热系数和辐射表 面换热系数，随温度变化而改变，通过命令ｓｆ，ａｌｌ， ｃｏｎｙ，一１在模型表面实现加载。
Ｕ 刖昌 目前，数值模拟技术已遍及焊接学科的各个领
域。有限元法是伴随着计算机技术和数值分析方法 发展起来的结构分析方法。它已广泛地应用于焊接 热传导、热弹塑性应力和变形分析、焊接结构的断 裂力学分析等【ｌ】。ＡＮＳＹＳ软件是以有限元分析为基础 的大型通用ＣＡＥ软件，其强大的热结构耦合及瞬态、 非线性分析能力使其在焊接模拟技术中具有广阔 的应用前景［２１。本研究利用ＡＮＳＹＳ软件的参数化程 序语言ＡＰＤＬ编制了焊接过程三维瞬态温度场、应 力应变场模拟分析程序，并以中厚板表面堆焊为例 给出了具体分析过程，计算结果与实测结果比较吻
本研究将横向路径定义为从平板上表面焊缝中 心线的中间位置处，沿垂直焊缝中心线方向至平板 边缘。残余应力在横向路径上的分布如图５所示。
焊缝附近区域表现拉应力，并且拉应力值在距 焊缝中心约２０ｎｌｌｎ处达到最大值，然后拉应力值逐 渐下降，最后在板的边缘处趋于零。横向残余应力的 变化与纵向残余应力的变化相似，但横向应力比纵 向应力要小得多。
焊接过程中伴随着相变，含有相变问题的热分 析是一个非线性瞬态问题，相变过程需要考虑熔化 潜热。ＡＮＳＹＳ软件在处理潜热问题时是通过定义不 同温度下的热焓考虑潜热。热焓是指单位质量或体 积的物质所含的全部热能，它是关于温度的连续函 数，其数学定义为［４】
日＝ｆ Ｐ ｃ（Ｔ）ｄＶ，
（４）
式中日为热焓；Ｐ、ｃ、Ｔ分别为密度、比热和绝对 温度。
为例对焊接过程三维瞬态温度场、应力应变场进行
芷
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了有限元模拟分析。详细论述了基于ＡＮＳＹＳ的焊接
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过程数值模拟分析的实现方法，并且采取了有效措
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施保证求解的准确性和收敛性。
（２）利用ＡＮＳＹＳ的ＡＰＤＬ编制了完全参数化的
模拟分析程序，在此基础上可以比较容易地实现不 同条件下焊接过程的模拟分析，这对ＡＮＳＹＳ软件应
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｂｙ ＦＥＡ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ
ＬＩＵ Ｘｉｎｇ—ｌｏｎ９１，ＱＶ Ｓｈｉ－ｙａ０２，ＺＯＵ Ｚｅｎｇ－ｄａｚ，ＷＡＮＧ Ｘｉｎ—ｈｏｎｇｚ
（１．ＣＳＲ Ｓｉｆａｎｇ Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ＆Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｓｔｏｃｋ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｑｉｎｇｄａｏ ２６６０３ １，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．＆Ｅｎｇ．，Ｓｈａｎｄｏｎｇ
摘要：以中辱板表面堆焊为例，利用ＡＮＳＹＳ软件对焊接过程三维瞬态温度场、应力应变场进行了有
限元模拟。分析时采取了有效措施保证求解的准确性和收敛性，计算结果与实测结果比较吻合，并编制 了参数化的模拟分析程序。
关键溺：焊接；有限元：ＡＮＳＹＳ；温度场；应力应变场
中图分类号：ＴＧ４０９
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１－２３０３（２００７）０７－００４１一０４
４计算结果分析
图３为距离焊接起始点８６ｍｍ处，距焊缝中心 线分别为６ ｍｍ、８ ｍｍ、９ ｍｍ、１０ ｍｍ处各点热循环 曲线。从图３可以看出，焊接电弧在焊件表面移动 时，焊件表面各点温度由低到高迅速上升，达到最 高值之后，由于热源继续向前移动，各点温度迅速
万方数据
图３距焊缝中心不同位置处的热循环曲线
图６显示了焊接结束冷却到室温的焊件残余 变形情况，因模拟时对模型施加的约束条件仅限制 整个焊件不发生整体刚性位移，所以在图６中可以 看见焊件变形很明显，特别是角变形很大。由于焊接 起始端受热膨胀时间较焊接结束端更短，所以两端
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研究与设计
重珲梭
第３７卷
５ 结论
（１）本研究基于ＡＮＳＹＳ软件以中厚板表面堆焊
收稿日期：２００６—０３－０６；修回日期：２００７—０５—２１ 作者简介：刘兴龙（１９７６－－），男，河北定州人，博士，主要从事
结构的数值模拟分析研究工作。
１有限元模型的建立
在此以中厚板表面堆焊为例进行模拟分析，焊 件材质为低碳钢Ｑ２３５，焊件几何尺寸为１８０ ｎｌｌｎｘ １８０ ｍｍ×１０ ｍｍ，焊缝位于焊件的石吆平面中心线。 焊接电流２６０ Ａ，电压２５ Ｖ，焊接速度３ ｍｍ／ｓ，焊接 热效率ｒ／－－－０．６５，电弧有效半径ｒ＝７．５ ｔｈｉｎ。几何形状和 载荷分布关于焊缝中心线对称，取其中一半进行分 析，如图１所示。在进行温度场、应力应变场分析时： ａ．忽略平板表面堆焊焊缝的填充金属；ｂ．假设工件 的所有外边界仅与空气发生对流换热，将辐射换热 的影响考虑到对流换热中；ｃ．忽略熔池内部的化学 反应和搅拌、对流等现象；ｄ．焊接热源能量分布遵 循高斯分布模式。
ｐ 赵 赠
图４计算与测试热循环曲线 下降。升温速度明显地比冷却速度快，当冷却到一定 的时候，各点温度很快趋于相同。
图４为距离焊接起始点５７ ｌｎｌｎ、焊缝中心７．５ ｎｌｌｎ 处平板上表面位置（平板前端焊缝熔合ｘＥ）实测的热 循环曲线和计算所得的热循环曲线。计算结果与实 测结果非常吻合，计算所得的最高温度１ ５５０ ｏＣ，实 测最高温度１ ３９５ ｏＣ，误差约为１１％。
万方数据
研究与设计
雹珲撒
第３７卷
图１工件几何形状示薏图 在建立有限元模型时，首先创建平面几何模型， 然后再利用二维平面单元ＭＥＳＨ２００以映射网格划 分方式对平面几何模型进行划分。再将平面单元在 厚度方向上拖拉，形成三维几何模型及８节点的三 维实体热单元Ｓｏｌｉｄ７０网格。划分网格时，焊缝处网 格划分极为细密（最小单元尺寸１．５ ｍｍ），以提高计 算精度。而远离焊缝区域网格划分的比较稀疏，以 减少整个模型的节点数量。单元网格在ｙ、Ｚ方向 由密到疏逐渐变化时，采用了规则的单元网格过渡 从而提高计算的准确性和稳定性。模型的节点总 数为５ ０９０个，单元总数５ ８５６个，如图２所示。
当某一节点的温度超过熔点或相变点时，会有 一定的焓变。通过定义这个焓变值就可以把潜热考 虑进去。在此采用热焓的方法通过输入随温度变化 的比热容考虑潜热。
电弧热源呈高斯分布的二维热流作用于工件 表面，设焊接电弧沿石轴移动，移动过程中工件表
面任意一点＠ｑ，（ｘｙ，）的Ｙ热，流ｔ）分＝布ｑｍ为ｅｘｐ（一３堡掣），（５）
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉ’ｎａｎ ２５００６１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｄｄｌｅ—ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｐｌａｔｅ ｓｕｒｆｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒａｉｎ ｆｉｅｌｄｓ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｗｉｔｈ ＡＮＳＹＳ ｃｏｄｅ．Ｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｍｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｔａｋｅｎ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｓｏｌｕｔｉｏｒｉ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｔｅ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｄｉｎｇ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ＡＮＳＹＳ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｓｔｒｅｓｓ ｓｔｒａｉｎ ｆｉｅｌｄ
结构分析时，需要对模型施加位移约束边界条 件，以保证模型不发生整体刚性移动，对构件的焊 接应力和变形影响也较小。在此采用对模型底部沿 焊缝中心线的节点施加Ｚ向约束，同时对与焊接起 始位置对应的２个节点施加全约束。最后将已求得 的节点温度作为体载荷施加到结构分析的模型 中。