T CWAN 0063-2023 焊接數(shù)值模擬 熱彈塑性有限元方法V1

ICS25.160.01

CCSJ33

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CWAN0063—2023

焊接數(shù)值模擬熱彈塑性有限元方法

Numericalweldingsimulation-Thermalelastic-plasticfiniteelementmethod

2023-12-27發(fā)布2024-02-01實(shí)施

中國(guó)焊接協(xié)會(huì)發(fā)布

T/CWAN0063—2023

焊接數(shù)值模擬熱彈塑性有限元方法

1范圍

本文件規(guī)定了基于熱彈塑性有限元方法的焊接數(shù)值模擬一般要求、仿真建模規(guī)則、求解器設(shè)置、仿

真分析報(bào)告等內(nèi)容。

本文件適用于基于熱彈塑性有限元方法的焊接結(jié)構(gòu)件熔化焊焊接變形及焊接殘余應(yīng)力的焊接數(shù)值

模擬。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于

本文件。

GB/T3651金屬高溫導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量方法

GB/T4338金屬材料高溫拉伸試驗(yàn)方法

GB/T4339金屬材料熱膨脹特征參數(shù)的測(cè)定

GB/T22315金屬材料彈性模量和泊松比試驗(yàn)方法

GB/T25846工業(yè)用γ射線密度計(jì)

GB/T31054機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助工程有限元數(shù)值計(jì)算術(shù)語(yǔ)

GB/T33582機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則

NB/SH/T0632比熱容的測(cè)定差示掃描量熱法

T/CWAN0009焊接術(shù)語(yǔ)熔化焊

ISO/TS18166焊接數(shù)值模擬執(zhí)行和文檔(Numericalweldingsimulation-Executionand

documentation)

3術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T31054、GB/T33582、T/CWAN0009和ISO/TS18166界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文

件。

3.1

熱源模型heatsourcemodel

熔化焊接熱能特征及其與工件作用后在工件上分布的數(shù)學(xué)表示。

3.2

熱彈塑性有限元方法thermalelastic-plasticfiniteelementmethod

1

T/CWAN0063—2023

一種焊接變形數(shù)值模擬方法，其原理是首先進(jìn)行焊接熱分析，得到焊接結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，并以此

結(jié)果進(jìn)行焊接應(yīng)力和變形的計(jì)算。

3.3

雙橢球熱源模型doubleellipsoidalheatsourcemodel

焊接熱源在工件上呈前后兩個(gè)半橢球分布的數(shù)學(xué)表示。

3.4

生死單元birth-deathelement

一種模擬焊縫填充的方法，其原理是在焊道未填充之前，將代表焊道的單元材料性能乘以一個(gè)較小

的比例系數(shù)，當(dāng)焊道填充之后，單元材料屬性恢復(fù)到真實(shí)值。

4基本流程

熱彈塑性法焊接數(shù)值模擬的基本流程主要包括有限元模型建立、模型求解、結(jié)果評(píng)估、仿真方案

制定實(shí)施及報(bào)告編寫(xiě)，具體參見(jiàn)附錄A。

5一般要求

有限元模型分析前應(yīng)符合下述要求：

——應(yīng)按照GB/T33582附錄B規(guī)定選擇單位制，質(zhì)量單位選擇噸，長(zhǎng)度單位選擇毫米，時(shí)間單位

選擇秒，溫度單位選擇攝氏度或開(kāi)[爾文]，模型材料屬性單位應(yīng)與幾何模型單位一致；

——應(yīng)選笛卡爾直角坐標(biāo)系，當(dāng)邊界條件中有力或者約束與全局坐標(biāo)系不一致時(shí)，可增加局部坐標(biāo)

系；

——焊接結(jié)構(gòu)件CAD模型應(yīng)結(jié)構(gòu)完整，裝配關(guān)系清晰明了；

——焊接仿真宜選用具備三維建模、網(wǎng)格劃分等前處理，熱結(jié)構(gòu)耦合求解及可視化后處理功能的一

個(gè)或多個(gè)軟件進(jìn)行。

6焊接仿真分析模型建立規(guī)則

6.1幾何模型簡(jiǎn)化

6.1.1幾何模型簡(jiǎn)化應(yīng)符合準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)原則。準(zhǔn)確性是指應(yīng)保留分析對(duì)象主要特征，以保證

受力特性不變。經(jīng)濟(jì)性是指應(yīng)用較小分析成本取得足夠精度的計(jì)算結(jié)果。

6.1.2焊接仿真分析的幾何模型簡(jiǎn)化原則：

——應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行干涉檢查，避免模型中存在干涉；

——應(yīng)忽略對(duì)焊接變形影響較小且不重要的零件，如吊耳、安裝板、固定板等；

——應(yīng)刪除各個(gè)零件上的圓角、退刀槽、凸臺(tái)、無(wú)焊縫填充的倒角等細(xì)節(jié)特征；

——應(yīng)刪除各零件上孔徑與結(jié)構(gòu)件尺寸比值小于1%的孔及安裝孔；

——應(yīng)簡(jiǎn)化不規(guī)則的截面形狀；

——在鈍邊不大于2mm或者要求單面焊雙面成型的情況下，帶鈍邊倒角應(yīng)修改成尖角，如圖1所

2

T/CWAN0063—2023

示；

——將模型導(dǎo)入前處理軟件中，應(yīng)消除模型的自由邊，并檢查模型的干涉情況；

——應(yīng)修補(bǔ)模型的破面，合并距離很近的邊及節(jié)點(diǎn)。

圖1鈍邊的簡(jiǎn)化

6.2有限元網(wǎng)格劃分

6.2.1建立焊接仿真分析模型時(shí)宜選擇三維六面體單元。

6.2.2建立焊接仿真分析模型時(shí)宜選用低階單元。

6.2.3應(yīng)對(duì)焊縫及熱影響區(qū)的位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，網(wǎng)格尺寸控制在2mm～3mm，或者熔池截面上有3～

4個(gè)網(wǎng)格，并采用如圖2所示的1:3或1:2的網(wǎng)格過(guò)渡形式，降低遠(yuǎn)離焊縫位置的網(wǎng)格數(shù)量。

6.2.4網(wǎng)格可按圖3劃分，分為熱影響區(qū)Ⅰ、網(wǎng)格過(guò)渡區(qū)Ⅱ及母材區(qū)Ⅲ，其中熱影響區(qū)的寬度a1取max(b，

9mm)，網(wǎng)格可多次過(guò)渡。

圖2網(wǎng)格過(guò)渡形式圖

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

①——坡口區(qū)域；

Ⅰ——熱影響區(qū)；

Ⅱ——網(wǎng)格過(guò)渡區(qū)；

Ⅲ——母材區(qū)；

a1——熱影響區(qū)寬度；

a2——過(guò)渡區(qū)寬度；

a3——母材寬度；

b——板厚。

圖3模型分塊情況圖

6.2.5在厚度方向上應(yīng)確保2層以上的實(shí)體單元網(wǎng)格。

6.2.6對(duì)于低階實(shí)體單元，焊縫位置處網(wǎng)格長(zhǎng)寬比應(yīng)不大于5。

6.3材料模型建立

6.3.1用于焊接仿真分析的材料熱物理性能參數(shù)應(yīng)包括熱導(dǎo)率、比熱容、密度、線膨脹系數(shù)、彈性模

量、泊松比和屈服強(qiáng)度。泊松比為常數(shù)，屈服強(qiáng)度為溫度及塑性應(yīng)變的函數(shù)，其余的熱物理性能參數(shù)

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是關(guān)于溫度的函數(shù)。

6.3.2材料的屈服準(zhǔn)則應(yīng)選用Von-Mises屈服準(zhǔn)則，材料進(jìn)入塑性區(qū)后服從塑性流動(dòng)準(zhǔn)則和等向強(qiáng)化準(zhǔn)

則。

6.3.3材料低溫區(qū)間(0℃～600℃)的熱物理性能參數(shù)按表1規(guī)定的方法和設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。材料高溫區(qū)

間(≥600℃)的熱物理性能參數(shù)可通過(guò)數(shù)據(jù)外插擬合獲得，也可通過(guò)具備材料性能計(jì)算功能的軟件獲

得。

6.3.4材料室溫屈服強(qiáng)度≥890MPa的情況下，應(yīng)考慮相變/熱焓轉(zhuǎn)變對(duì)焊接變形及殘余應(yīng)力的影響。

表1材料熱物理性能參數(shù)

參數(shù)名測(cè)試方法參考標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備

熱導(dǎo)率

直接通電縱向熱流法GB/T3651管式防熱爐、熱電偶

W/(m?K)

密度

射線吸收量測(cè)定法GB/T25846放射性同位素密度計(jì)

Kg/m3

線膨脹系數(shù)

接觸式示差法GB/T4339膨脹儀

1/K

比熱容/熱焓轉(zhuǎn)變

差示掃描量熱法NB/SH/T0632差示掃描量熱儀

J/(kg·C)

彈性模量

動(dòng)態(tài)法GB/T22315共振測(cè)量裝置

N/m2

屈服強(qiáng)度

試樣拉伸法GB/T4338高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)

N/m2

6.4熱源參數(shù)定義

6.4.1選擇的熱源模型應(yīng)準(zhǔn)確反映焊接過(guò)程中熱流分布，根據(jù)焊接工藝參數(shù)確定熱源模型能量的大小。

6.4.2電弧焊宜選用雙橢球體/雙橢圓面熱源模型，激光焊宜選用高斯旋轉(zhuǎn)體熱源/高斯面熱源模型，激

光-電弧復(fù)合焊宜選用高斯旋轉(zhuǎn)體熱源/高斯面熱源與雙橢球/雙橢圓熱源的疊加。

6.4.3焊接仿真分析中應(yīng)考慮焊接熱源的移動(dòng)及焊縫填充，生死單元的比例系數(shù)可選用1e-3～1e-5。

6.4.4應(yīng)采用試驗(yàn)與仿真對(duì)比的方法確定焊接熱源的參數(shù)，包括以下兩種方法。

（a）通過(guò)對(duì)比熱循環(huán)曲線確定焊接熱源參數(shù)：

1)設(shè)定焊接熱源的參數(shù)，進(jìn)行焊接熱分析，提取距離焊趾5mm處的熱循環(huán)曲線；

2)在焊接試板上相同位置安裝熱電偶，見(jiàn)圖4a），測(cè)試該位置的熱循環(huán)曲線；

3)將焊接仿真分析獲得的熱循環(huán)曲線與測(cè)量獲得的熱循環(huán)曲線進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖4b)，反復(fù)調(diào)整

焊接熱源參數(shù)，直至熱循環(huán)曲線峰值誤差在10%以內(nèi)。

4

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a)熱電偶放置位置b)熱循環(huán)曲線對(duì)比圖

圖4熱循環(huán)曲線法

（b）通過(guò)對(duì)比焊縫形貌確定焊接熱源參數(shù)：

1)在焊接試板上截取試樣，打磨、拋光、腐蝕，獲得焊接接頭的宏觀金相；

2)設(shè)定焊接熱源的參數(shù)，雙橢球熱源前半軸長(zhǎng)度宜設(shè)為熔深，后半軸長(zhǎng)度宜設(shè)為2倍熔深，進(jìn)行

焊接熱分析，提取焊接仿真分析的熱源形貌；

3)將焊接接頭熱源形貌與宏觀金相進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖5，判斷其吻合性，反復(fù)調(diào)整焊接熱源參

數(shù)，直至吻合良好，完成熱源校核。

圖5焊接接頭宏觀金相對(duì)比圖

6.5計(jì)算條件設(shè)置

6.5.1模型熱邊界條件設(shè)定

模型熱邊界條件的設(shè)定應(yīng)符合以下原則：

——焊接仿真分析模型的熱邊界條件設(shè)定應(yīng)符合實(shí)際工況，包括焊接熱輻射邊界條件、熱對(duì)流邊界

條件；

——根據(jù)焊接操作指導(dǎo)文件上的焊接方向、焊接順序，及確定的焊接熱源參數(shù)設(shè)定焊接熱邊界條件；

——應(yīng)選擇所有表面作為熱對(duì)流邊界，與空氣自然對(duì)流換熱系數(shù)應(yīng)設(shè)為5W/(m2?K)～25W/(m2?K)，

也可根據(jù)牛頓定律測(cè)定對(duì)流換熱系數(shù)。

6.5.2模型結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)定

模型結(jié)構(gòu)邊界條件的設(shè)定應(yīng)符合以下原則：

——焊接仿真分析模型的結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)定應(yīng)符合實(shí)際工況；

——結(jié)構(gòu)件無(wú)外加約束自由焊接時(shí)，應(yīng)采用輔助約束方法施加約束，即選擇距離焊縫較遠(yuǎn)且對(duì)變形

影響小的3個(gè)節(jié)點(diǎn)，施加限制6個(gè)剛體自由度的輔助位移約束，見(jiàn)圖6；

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圖6自由焊接時(shí)模型約束圖

——結(jié)構(gòu)件在工裝約束狀態(tài)下焊接時(shí)，可采用剛體接觸或者固定約束的方法模擬焊接工裝的裝夾，

并在工裝撤去后，釋放接觸/約束，并施加輔助約束；

——可采用接觸的方法考慮工藝?yán)顚?duì)焊接變形的影響；

——可采用節(jié)點(diǎn)強(qiáng)制位移或剛體接觸方法考慮反變形對(duì)焊接變形的影響，并在冷卻至室溫后，釋放

接觸/約束。

6.5.3模型邊界條件的有效簡(jiǎn)化

如計(jì)算機(jī)算力不足或計(jì)算規(guī)模較大，應(yīng)對(duì)焊接邊界條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化方法如下：

——焊道集中方法，對(duì)于多層多道焊，可將焊道合并，在等效熱效應(yīng)前提下，一次輸入焊接能量，

設(shè)定焊接熱源，保證焊接區(qū)域內(nèi)單位體積的能量相對(duì)于簡(jiǎn)化前不變；

——分段移動(dòng)熱源方法，將一條焊道分為多段，每段采用熱循環(huán)曲線或者帶狀熱源進(jìn)行加載；

——熱機(jī)解耦計(jì)算方法，將多步的熱分析計(jì)算結(jié)果用于一步的焊接變形及應(yīng)力計(jì)算分析。

6.6有限元模型的檢查

6.6.1網(wǎng)格模型的檢查

網(wǎng)格劃分完成后，應(yīng)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容及要求如下：

——模型中不應(yīng)有重復(fù)、連接問(wèn)題、折疊及畸變網(wǎng)格；

——網(wǎng)格檢查的主要參數(shù)包括單元的法向、長(zhǎng)寬比、雅克比、內(nèi)角、翹曲度、偏斜度，單元質(zhì)量控

制參數(shù)應(yīng)符合表2的規(guī)定；

——優(yōu)先保證焊接及熱影響區(qū)位置的網(wǎng)格質(zhì)量。

表2單元質(zhì)量檢查控制參數(shù)

參數(shù)長(zhǎng)寬比雅克比內(nèi)角翹曲度偏斜度

數(shù)值5～10≥0.540°～135°≤18°≤60°

6.6.2模型設(shè)定的檢查

模型設(shè)定完成后，應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容及要求如下：

——材料參數(shù)檢查，根據(jù)焊接仿真分析模型設(shè)定的材料熱物理性能參數(shù)，復(fù)核材料各個(gè)參數(shù)，檢查

6

T/CWAN0063—2023

材料各熱物理性能參數(shù)曲線平滑性，無(wú)突變點(diǎn)，單位應(yīng)統(tǒng)一；

——力學(xué)邊界檢查，依據(jù)模型在實(shí)際焊接過(guò)程中的約束狀態(tài)，檢查模型的約束；

——熱邊界檢查，依據(jù)模型在實(shí)際焊接過(guò)程中的焊接順序及環(huán)境溫度，檢查模型施加的焊接邊界條

件、熱對(duì)流邊界條件，確保與實(shí)際約束相同。

7求解器設(shè)置

有限元分析應(yīng)合理設(shè)置分析環(huán)境、時(shí)間參數(shù)、收斂準(zhǔn)則、存儲(chǔ)步數(shù)、需求分析結(jié)果，應(yīng)符合以下要

求：

——焊接熱力模擬可采用直接耦合，也可采用間接耦合。推薦計(jì)算效率高的間接耦合方式；

——在滿足收斂性、計(jì)算精度和計(jì)算機(jī)資源的條件下，設(shè)置合理的計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)，在焊接階段計(jì)算

時(shí)間步長(zhǎng)宜控制在0.1s～0.5s，或者保證60%焊接熔池重合。焊后冷卻階段，溫度梯度較小，

可采用相對(duì)較大的時(shí)間步長(zhǎng)，宜控制在5s～10s；

——板材厚度不大于5mm的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行焊接仿真分析時(shí)，應(yīng)采用大應(yīng)變模型；

——應(yīng)采用集中質(zhì)量熱容矩陣克服瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析中的階躍現(xiàn)象；

——應(yīng)采用并行計(jì)算的方式進(jìn)行焊接仿真分析，每個(gè)CPU計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)應(yīng)控制在1.5萬(wàn)～3萬(wàn)；

——應(yīng)輸出溫度、應(yīng)力和位移結(jié)果三種場(chǎng)變量。

8仿真結(jié)果評(píng)估

8.1表象評(píng)估

結(jié)果表象評(píng)估，具體方法如下：

——檢查模型的奇異比；

——檢查模型的收斂性；

——分析焊接變形及焊接殘余應(yīng)力的合理性。

8.2變形趨勢(shì)評(píng)估

通過(guò)三維掃描的形式確定物理樣件的變形趨勢(shì)，具體方法如下：

——采用三維掃描儀對(duì)焊接后的物理樣件進(jìn)行整體掃描；

——將有限元分析的網(wǎng)格模型導(dǎo)出為stl格式的文件；

——采用最小二乘法進(jìn)行兩個(gè)文件擬合，比對(duì)模型的重合度。

8.3關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)評(píng)估

進(jìn)行物理樣件試驗(yàn)，對(duì)比關(guān)鍵位置的有限元結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)修正有限元模型，

重新計(jì)算評(píng)估，保證變形結(jié)果偏差不大于20%。

8.4仿真方案制定與實(shí)施

基于8.1~8.3評(píng)估得到的合理有限元模型，可制定考慮焊接順序、焊接工裝夾具、焊前反變形等工藝

的仿真方案，并進(jìn)行仿真實(shí)施與驗(yàn)證，獲得符合目標(biāo)值要求的焊接變形控制方案。

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T/CWAN0063—2023

9仿真分析報(bào)告

根據(jù)具體的分析對(duì)象、分析目的等編寫(xiě)分析報(bào)告，模板見(jiàn)附錄B，仿真實(shí)施過(guò)程可參見(jiàn)附錄C示出

的對(duì)接接頭MAG焊接的變形模擬仿真實(shí)例，報(bào)告至少包括但不限于以下內(nèi)容：

——仿真對(duì)象，詳細(xì)描述組件或者結(jié)構(gòu)、焊接工藝和參數(shù)；

——仿真目標(biāo)，介紹分析問(wèn)題背景，說(shuō)明采取的分析手段、闡述預(yù)期結(jié)果細(xì)節(jié)；

——物理模型，描述需要模擬的物理過(guò)程，給定的邊界條件及簡(jiǎn)化假設(shè)；

——分析過(guò)程，描述幾何模型的簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、材料模型、邊界條件、求解參數(shù)及求解方式；

——結(jié)果分析，應(yīng)給出關(guān)鍵位置的焊接變形值及典型的圖標(biāo)結(jié)果，如變形、應(yīng)力/應(yīng)變?cè)茍D。圖表

應(yīng)簡(jiǎn)明易懂且不應(yīng)有無(wú)關(guān)的信息；

——模型校核，應(yīng)給出保證模擬結(jié)果正確的措施，主要有模型核查、與物理樣件對(duì)比驗(yàn)證。

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T/CWAN0063—2023

附錄A

（規(guī)范性）

基于熱彈塑性法焊接數(shù)值模擬流程圖

基于熱彈塑性法焊接數(shù)值模擬基本流程如圖A.1所示。

圖A.1基于熱彈塑性法焊接數(shù)值模擬流程圖

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附錄B

（資料性）

文檔模板

文檔模板如表B.1所示。

表B.1文檔模板

編制：XXXX

公司名稱：依據(jù)：焊接數(shù)值模擬-熱彈塑性有版本：V1

部門：限元方法日期：JJJ-MM-TT

第X頁(yè)共X頁(yè)

封面簡(jiǎn)要說(shuō)明

仿真對(duì)象

仿真目標(biāo)

物理和數(shù)學(xué)模型

求解方法和應(yīng)用軟件

結(jié)果和結(jié)論摘要

確保模擬結(jié)果質(zhì)量采取的措施摘要

措施備注/說(shuō)明

已校核[]是[]否熱源校核

已檢查[]是[]否模型檢查

仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，例如:激光三維掃描變形測(cè)量、盲孔法殘

已驗(yàn)證[]是[]否

余應(yīng)力測(cè)試

其他：

備注（可選）

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T/CWAN0063—2023

附錄C

（資料性）

對(duì)接接頭MAG焊接的變形模擬仿真實(shí)例

對(duì)接接頭MAG焊接變形模擬仿真報(bào)告如表C.1所示。

表C.1對(duì)接接頭MAG焊接的變形模擬仿真報(bào)告

編制：XXXX

公司名稱：XXXX依據(jù)：焊接數(shù)值模擬熱彈塑性有版本：V1

部門：XXXX限元方法日期：JJJ-MM-TT

第1頁(yè)共7頁(yè)

封面簡(jiǎn)要說(shuō)明

仿真對(duì)象：

Q345低合金鋼對(duì)接接頭的MAG脈沖電弧焊，板厚6mm，30°V型坡口。

仿真目標(biāo)：

模擬Q345鋼MAG焊接變形和殘余應(yīng)力。

物理和數(shù)學(xué)模型：

熱-力間接耦合模型；

熱源模型—具有容積熱源的熱控制模型（Goldak）；

材料塑性本構(gòu)模型—具有與應(yīng)變速率有關(guān)的各向同性硬化的彈塑性模型。

求解方法和應(yīng)用軟件：

熱-機(jī)聯(lián)合仿真，Sysweld

結(jié)果和結(jié)論摘要：

仿真模擬獲得的溫度場(chǎng)與試驗(yàn)確定的溫度場(chǎng)一致，該溫度場(chǎng)由熱循環(huán)測(cè)試校核；模擬獲得的橫向、

縱向殘余應(yīng)力與相應(yīng)的X射線測(cè)量結(jié)果十分吻合；計(jì)算的變形與光學(xué)變形測(cè)量變形趨勢(shì)一致，數(shù)值相

近。

確保模擬結(jié)果質(zhì)量采取的措施摘要

措施備注/說(shuō)明

已校核[]是[]否熱源校核

已檢查[]是[]否模型檢查

已驗(yàn)證[]是[]否仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，熱循環(huán)曲線對(duì)比、X射線殘余應(yīng)力測(cè)試。

其他：

備注（可選）

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C.1模擬對(duì)象

工件尺寸：300mm×120mm×6mm

母材：Q345低合金鋼填充材料：G3Si1

保護(hù)氣體：M21保護(hù)氣體流量：25L/min

工藝：半自動(dòng)化MAG焊接，135電源：逆變直流電焊機(jī)PHOENIX521（EWM）

電弧類型：脈沖電弧平均功率：6783.34W

焊接速度：9.167mm/s焊絲直徑：1.2mm

干伸長(zhǎng)：13mm焊槍角度：0°

焊縫開(kāi)口角度：30°(2×15°)接頭形式，拼焊位置：V型對(duì)接，0mm，150mm，300mm

預(yù)熱溫度：20°C夾緊：靜態(tài)確定

單位為毫米

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1——熱電偶；

2——陶瓷墊板；

3——裝配平臺(tái)；

4——拼焊點(diǎn)。

圖C.1工件示意圖

C.2模擬的目的

考慮材料相變行為，構(gòu)建焊接模擬模型，進(jìn)行焊接變形和殘余應(yīng)力分析，并進(jìn)行合理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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C.3物理模型

做以下幾點(diǎn)假設(shè)：

——熱-力間接耦合，“力”向“熱”耦合效應(yīng)較弱。在計(jì)算殘余應(yīng)力和變形時(shí)，忽略應(yīng)變產(chǎn)生的熱效應(yīng)；

忽略應(yīng)力場(chǎng)對(duì)材料相轉(zhuǎn)變或溫度場(chǎng)的影響；

——對(duì)于整個(gè)部件，可以假設(shè)材料特性是理想均勻的，各向同性的。材料模型包括具有各向同性硬

化的彈塑性行為；

——假設(shè)部件沒(méi)有預(yù)應(yīng)力存在；

——根據(jù)焊縫幾何形狀生成三維模型，根據(jù)焊接要求劃分網(wǎng)格；

——忽略組件尺寸公差；

——焊接模擬涉及的網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)考慮在焊縫、熱影響區(qū)及母材間的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和微觀組織

結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面的梯度差；

——熱源模型：通過(guò)使用體積能量密度分布來(lái)近似實(shí)際焊接熱源；部件表面和外界環(huán)境熱量交換對(duì)

流換熱；忽略?shī)A緊和測(cè)量技術(shù)（熱電偶，變形測(cè)量等）對(duì)熱源模型的影響；

——3D網(wǎng)格模型中填充焊縫單元，計(jì)算過(guò)程采用生死單元技術(shù)；

——采用三點(diǎn)約束施加力學(xué)邊界條件。

C.4數(shù)學(xué)模型和求解方法

C.4.1熱源模型

采用雙橢球熱源模型，前、后半部分橢球內(nèi)熱源分布函數(shù)見(jiàn)公式(C.1、C.2)，總熱流密度見(jiàn)公式(C.3）。

63f3x23y23z2

qx,y,z1exp………(C.1)

1a2b2c2

a1bc1

63f3x23y23z2

qx,y,z2exp……(C.2)

2a2b2c2

a2bc2

qx,y,zq1q2………………(C.3)

式中：

a1,a2,b,c——雙橢球形體熱源形狀參數(shù)；

Φ——有效功率；

x——與熱源中心x方向上的距離；

y——與熱源中心y方向上的距離；

z——與熱源中心z方向上的距離；

f1，f2——前半部分、后半部分橢球的能量分配系數(shù)，f1+f2=2；

q1，q2——前半部分、后半部分橢球的熱流密度。

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圖C.2雙橢球形體熱源模型

C.4.2材料塑性本構(gòu)模型

具有與應(yīng)變速率有關(guān)的各向同性硬化的彈塑性模型。對(duì)于相變塑性，假設(shè)相變塑性應(yīng)變

εtp與現(xiàn)有應(yīng)力σ相對(duì)于單軸應(yīng)力狀態(tài)之間是線性關(guān)系，因此以下適用：

tpK………(C.4)

式中：K——轉(zhuǎn)換塑性常數(shù)，單位MPa-1。

C.5實(shí)施

C.5.1模型網(wǎng)格劃分和約束設(shè)置

考慮到焊縫形狀和部件幾何形狀，使用六面體單元進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分。焊接方向上的單元長(zhǎng)為1

mm（見(jiàn)圖C.3）。

標(biāo)引序號(hào)說(shuō)明：

1-焊接方向。

a

焊縫金屬單元大小：ex=1mm，ey=ez=0.5mm。

圖C.3試板網(wǎng)格和約束

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表C.1給出了工況和時(shí)間步的設(shè)置。

表C.1計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)概述

工況熱分析機(jī)械分析

加熱

t∈[0s;32.7s]固定:dt=0.109s固定:dt=0.0545s

冷卻

t∈[32.918s;100s]固定:dt=1.0s固定:dt=1.0s

冷卻

t∈[201s;2000s]自適應(yīng):dtMax=50s自適應(yīng):dtMax=50s

C.5.2熱源描述

熱輸入通過(guò)雙橢球熱源模型實(shí)現(xiàn)。焊接軌跡由作為焊接開(kāi)始的點(diǎn)P1（0,60,0）和作為焊接結(jié)束

的P2（300,60,0）限定。熱源沿軌跡以vw=9.167mm/s的速度均勻地移動(dòng)。

根據(jù)輸入的熱源參數(shù)和焊縫橫截面以及瞬態(tài)溫度測(cè)量來(lái)調(diào)整熱源模型。熔池的幾何形狀以及瞬

態(tài)高溫范圍受熱源的影響。

雙橢球熱源的形狀參數(shù)列于表C.2中。參數(shù)X0，Y0，Z0描述熱源到假定的實(shí)際弧的基點(diǎn)的幾何

偏移，它沿P1和P2之間的焊接軌跡移動(dòng)。前半部分橢球能量分配系數(shù)是后半部分橢球能量分配系數(shù)

的1.2倍。

表C.2雙橢球熱源參數(shù)的設(shè)置

功率C1C2abx0y0z0

熱源M

Q/Wmmmmmmmmmmmmmm

A110603.06.04.52.00.00.00.0-3

C5.3初始條件設(shè)置

T=20℃，環(huán)境溫度：Tu=20℃。根據(jù)Stefan-Boltzmann定律，熱輻射的系數(shù)?=0.8W/m2?K和25W/m2?K

的恒定對(duì)流系數(shù)，假設(shè)通過(guò)熱輻射和對(duì)流換熱向周圍環(huán)境熱傳遞。

C.6評(píng)估和結(jié)果展示

C.6.1溫度場(chǎng)

圖C.4所示分別為試驗(yàn)和模擬獲得的焊縫中心上表面和底部熱循環(huán)曲線。上表面熱電偶距焊接

中心的距離為5mm，6mm，7mm和7.8amm，底部熱電偶距焊接中心的距離為2mm，4mm。