把微分方程变为差分方程来求解。差分法的主要优点是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题，其程序设计和计算简单，易于掌握理解，但这种方法往往局限于规则的差分网格，不够灵活。在焊接研究中差分法常用于焊接热传导熔池流体力学氢扩散等问题的分析有限元法起源于世纪年代航空工程中飞机结构的矩阵分析，现在它已被用来求解几乎所有的连续介质和场的问题。在焊接领域，有限元法已经广泛的用于焊接热传导焊接热弹塑性应力和变形分析焊接结构的断裂力学分析等。经过多年的发展，有限元数值模拟技术已经成为焊接数值仿真的主流方法，因为焊接最为关心的是变形和残余应力的控制，而有限元方法在这方面有着明显的优势。近年来各种焊接模拟软件和有限元分析软件如等常用于焊接模拟分析中。其中，本文是基于的研究。焊接模拟技术发展现状在计算机技术日益发展的今天，计算机模拟方法为焊接科学技术的发展提供了有利的途径。年，美国能源部组织美国加拿大日本瑞典等为专家对世纪焊接科学技术的发展动向作出预测，其中焊接基本现象的模拟和仿真被列为最重要的研究方向之。我国国家自热科学基金委员会制定的学科发展战略也将计算机模拟确定为机械热加工的发展方向之。近二十几年来，国内外都对焊接模拟技术在焊接中的应用进行了许多的研究，取得了不少的成果。如日本大阪大学的上田幸雄教授长期以来从事焊接热弹塑性的研究，创建了计算焊接力学的新型学科，并出版了焊接力学专著。焊接数值模拟主要是通过焊接热过程，焊接冶金和焊接应力应变三方面进行分析。焊接热过程分析包括焊接热源的大小和分布形式分析热物理性能随温度变化的影响分析，焊接熔池中的流体动力学和传热分析，焊接电弧的传热传质分析，以及各种实际焊接接头形式焊接程序焊接工艺方法的边界条件处理等。焊接热过程的数值分析开始于世纪年代，年樊丁和在假定电流为高斯分布的条件下，计算了电弧的压力场分布规律，建立了较完善的电弧传热传质数值模型。焊接热过程与熔池形态对焊接热过程和熔池形态有具体的分析和总结。焊接过程冶金分析包括焊接熔池中的化学反应和气体吸收焊缝金属的结晶溶质的再分配和显微偏析气孔夹渣和热裂纹的形成热影响区在焊接热循环作术应用与未来发展航空制造技术英春立，钱百年，国旭明等焊接热源计算模式的研究进展焊接学报，王宗杰熔焊方法与设备北京机械工业出版社，胡传炘，王国红实用焊接手册北京工业大学出版社，达伊焊接热效应温度场残余应力变形北京机械工业出版社，田锡唐焊接结构北京机械工业出版社，苏库兹米诺夫船体结构的焊接变形北京国防工业出版社，陈祝年焊接工程师手册机械工业出版社，毕业设计论文基于的钢板对焊接头温度场和残余应力场研究学生姓名汤宇奇系别机械工程系专业材料成型及其控制工程学号班级指导教师彭小敏摘要本文基于非线性有限元分析软件平台，模拟了中碳钢厚型坡口平板对接焊，以及在不同焊接工艺参数下的温度场应力场和焊接变形。利用软件模拟焊接的基本过程如几何建模参数设置分析求解和结果输出等，分析平板在不同外部约束条件的温度场应力场，并对比分析不同约束条件下的焊后残余应力及焊后变形，由此得出何种约束条件对型坡口平板对接焊的变形和残余应力影响因素最小，从而指导实际工作。关键词焊接模拟约束条件，残余应力，焊后变形，接完毕，试板自然冷却，在近焊缝区段产生拉应力，在稍远区段产生压应力。横向应力是垂直于焊缝轴线的应力。产生横向焊接应力的原因可分为焊缝的纵向收缩和横向收缩个方面。冷却时，由于焊缝先后冷却时间不同，先焊的先冷却凝固，存在定强度，阻止了后焊的焊缝在横向的自由膨胀，使其产生横向压缩变形。后焊的焊缝冷却时，横向收缩受到阻止，而产生横向拉应力，而先焊部分则产生横向压应力。厚度方向的焊接应力常发生在多层焊中，上下表面温差很大，温度沿厚度方向分布不均，从而导致应力的产生。焊接变形产生的原因焊接变形分局部变形和整体变形。局部变形指焊接结构的部分发生变形，它在焊接中易矫正整体变形指整个结构的形状或尺寸发生变化，是由于焊缝在各个方向上的收缩所引起的。焊接变形产生的原因有以下几种不均匀的局部加热和冷却是最主要原因。焊接时，试板的局部被加热到熔化状态，形成了试板上温度的不均匀分布区，使试板出现不均匀的热膨胀，热膨胀受到周围金属的阻碍不能自由膨胀而受到压应力，周围的金属则受到拉应力。当被加热金属受到的压应力超过其屈服点时，就会产生塑性变形试板冷却时，由于加热的金属在加热时已产生了压缩的塑性变形，所以，最后的长度要比未被加热金属的长度短些。焊缝金属在冷却过程中，体积发生收缩，这种收缩使试板产生变形和应力。焊缝金属的收缩量取决于熔化金属的数量，因而不同的坡口会产生不同的变形，长焊缝的纵向收缩会对试板边缘产生压应力，焊缝横向收缩将会造成试板角变形，综合作用，可能会使试板产生波浪变形。焊缝金属及焊接热影响区的组织发生变化。焊缝及焊接热影响区金属在焊接时加热到熔点或固态相变温度以上，冷却过程中其金属组织要发生变化。由于各种组织的比容不同，因此随之发生体积的变化。试板的刚性限制了试板在焊接过程中的变形，所以刚性不同的焊接结构，焊后变形的大小就不同。除上述原因外，焊接方法接头形式坡口形式坡口角度试板装配间隙焊接速度和焊接顺序等都会对焊接变形和焊接应力造成影响。焊接模拟技术国内外现状及发展焊接模拟技术理论来源焊接是个涉及传热学电磁学材料冶金学固体和流体力学等多学科交叉的复杂过程。焊接工艺的仿真，主要是针对焊接温度场残余应力变形等几个方面，旨在改善焊接部件的制造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工艺过程。常用的焊接数值模拟方法有解析法，即数值积分法差分法有限元法和蒙特卡洛法。数值积分法用在原函数难于找到的微积分计算中。常用的数值积分法有梯形公式辛普生公式，高斯求积，目录第章概论课题背景及意义焊接应力和焊接变形产生的原因焊接应力产生的原因焊接变形产生的原因焊接模拟技术国内外现状及发展焊接模拟技术理论来源焊接模拟技术发展现状焊接模拟技术发展趋势本文主要任务和研究路线第章焊接模拟过程功能简介焊接模拟基本过程焊接模拟前处理焊接模拟分析焊接模拟后处理第章温度场和应力场的模拟焊接工艺方案的确定温度场的模拟及分析瞬态温度场的模拟结果温度场的对比分析应力场的的模拟与分析等效应力分布等效应力的对比分析本章小结第章约束条件对焊接变形的影响有关焊接变形焊后变形结果及分析焊后宏观变形及分析节点方向上的变形结果分析节点方向上的变形结果分析本章小结第章结论致谢参考文献第章概论课题背景及意义焊接是复杂的物理化学过程，长久以来，焊接工艺主要依靠经验积累和实验测试，成本消耗巨大且焊接质量难以保证废品率高。由焊接产生的动态应力应变过程及其随后形成的残余应力，是导致焊接变形裂纹和接头强度与性能下降的重要因素，因此将传统焊接技术与现代计算机模拟仿真技术结合来预测焊后结果以及解决焊接过程中所纯在的问题，成为当前材料加工领域的主要研究特点之，其不仅可以节约大量人力财力物力，还可以解决目前实验室无法进行直接研究的复杂问题。借助计算机技术，对焊接现象进行模拟，是国内外焊接工作者的热门研究课题并得到了越来越广泛的应用。焊接应力和焊接变形产生的原因产生焊接应力与变形的基本原因是由于焊接时试板的局部被加热到高温状态，形成了试板上温度的不均匀分布所造成的。其次，在焊接时，由于不同的焊接热循环作用引起金相组织和宏观体积的变化，当体积变化受到阻碍时便产生了应力，从而出现局部与整体变形。焊接应力产生的原因焊接应力按应力作用的方向分为纵向应力横向应力和厚度方向的焊接应力。纵向焊接应力就是平行于焊缝长度方向的应力。在焊接过程中，钢板中会产生不均匀的温度场，从而产生不均匀的膨胀。在靠近焊缝侧高温区受到热压力作用，而在远离焊缝侧受到热拉应力的作用。际情况相差甚远。焊后变形结果及分析焊后宏观变形及分析对本文所研究课题为型坡口平板对接的单层单道焊，不同的外部约束条件对焊后平板的变形则有很大不同。图是不加任何约束焊后放大倍的平板宏观变形结果。图由图可看出平板厚度方向变形由两边到焊缝中心呈梯度变化，焊缝附近蓝色区域均为负值，两边黄色区域为正值，即焊缝附近向轴负方向变形，两边发生向轴正方向翘曲变形，变形值可从图中数据看到。这是由于焊缝正面收缩值较大，背面相对较小，导致平板焊缝附近区域略向的负方向收缩两边翘曲，产生角变形。不同的拘束部位方案方案方案如前所述。由于平板被施加了约束条件，因此平板的角变形不是很明显。图图图分别是方案焊后放大倍后横向收缩纵向收缩和角变形的宏观结果及变形云图，其中角变形用平板的厚度方向变形来表示。图图图由图可看出方案下平板的横向收缩在中部的黄色和蓝色区域变形最大，在拘束部位即红色区域变形为零，收缩变形在焊缝左右对称分布。由图可看出平板在平行于焊缝方向的纵向收缩由焊缝两端向中心收缩，其在焊缝两端的黄色和红色还有小部分蓝色区域变形最大，而且红色区域明显大于黄色区域。这是由于焊缝先焊的部分在后续的焊接过程中已经开始冷却收缩，而后续的焊接对其有定程度的温度影响，即后焊部分相比于先焊部分冷却温度梯度更大，因此平板在后焊完的部分纵向收缩变形更大，即平板在沿着焊接运动方向纵向收缩越来越大。同理，平板横向收缩和角变形也是如此。由图可看出方案下平板的角变形不大。图图图分别是方案焊后放大倍后横向收缩纵向收缩和角变形的宏观结果及变形云图。图图图由上组图可看出的平板拘束部位如方案的变形在焊缝两端处收缩较大，从而造成局部收缩严重，这是由于拘束部位太靠近焊缝两端导致，两端的金属受热膨胀，而冷却收缩没有足够的金属来补充。由图也可看出平板有定程度的角变形存在，橙色区域翘曲变形。图图图分别是方案焊后放大倍后横向收缩纵向收缩