厉兵秣马，百战不殆！焊接仿真应该怎么做？
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- 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：大家好，我是仿真秀专栏作者李树栋（ID:幻想飞翔)，现在是中国中车南京浦镇车辆有限公司技术工程部仿真 主管，高级工程师，中国中车高级讲师，江苏省工程师学会 工业仿真推进办主任，“幻想飞翔CAE”微 信 公 众 号创始人。多年从事模拟仿真、智能制造等相关工作，在结构仿真、焊接仿真、公差仿真、工艺流程仿真等领域有较深研究，著有畅销书籍《abaqus有限元分析从入门到精通（2022版）》（机械工业出版社）。自2019年以来，我在仿真秀制作了多套焊接仿真精品课，其中《ABAQUS焊接模拟入门进阶29讲-掌握大部件焊接仿真解决思路和方法》播放次数达到10w+，订阅用户200+人，深受用户工程师和理工科学子喜爱。1月6日19时30分，笔者受邀在仿真秀主办2022仿真知识嘉年华的第七场讲座带来《焊接模拟中热源处理原则与焊接应力应变仿真》报告，详情见下文。焊接的历史渊源流程，公元前3000多年埃及出现了锻焊技术。公元前2000多年中国的殷朝采用铸焊制造兵器。公元前200年前，中国已经掌握了青铜的钎焊及铁器的锻焊工艺。1881年，法国人 De Meritens 发明了最早期的碳弧焊。
大约1912年，美国福特汽车公司为了生产著名的T型汽车，在自己工厂的实验室里完成了现代焊接工艺。
1949年，第一台使用弧焊和电阻焊工艺制造的全焊结构的FORD牌汽车下线。
焊接技术发展到今天，相关技术更是突飞猛进，据相关资料表明，人类已经不满足金属和金属的焊接，正在攻关金属和非金属的焊接。而焊接仿真的发展，是伴随着焊接理论研究和计算机技术的发展而发展的。20世纪30年代，前苏联的雷卡林，系统地研究了焊接传热问题，建立焊接传热学的理论基础，将焊接热源简化为点、线、面热源进行仿真，自此开启了焊接的仿真时代。随着计算机技术的不断发展，相关的焊接仿真研究理论也在不断的发展，由此演化出了不同的焊接仿真工具软件，在方便大家的同时，也带来了新的困惑，即如何使用软件进行焊接仿真。接下来我从以下几方面谈下自己的想法，希望对大家有所帮助。焊接过程无疑是个复杂的过程。在焊接的过程中，有固体、气体、流体参与，载荷上，有电、力、光的参与，对于母材和焊丝，经历了由固体变为流体，又由流体凝固为固体的过程。如此复杂的过程，想完全再现焊接的所有过程无疑是不现实的，所以在做焊接仿真的第一个重点就是确定关注重点。如果关注焊接过程中晶粒生长，气泡扩散等，目前没有好的现成的商业软件，通常需要自己编程实现，一些高校的课题组正在做类似的事情，例如笔者老师南航占小红老师团队在做这方面的研究，想了解更多可以通过笔者推荐详聊。如果关注熔池的流动等情况，比如搅拌摩擦焊等需要特别关注熔池在搅拌针作用下的流动状态，选用带热流耦合的流体软件是比较不错的选择。比如笔者比较了解的清华大学陈高强老师团队在这方面比较深的研究，想了解更多可以通过笔者推荐详聊。如果关注焊接后整体的变形情况，对熔池等局部的状态不太关注，可以选择具有热力耦合功能的软件，这类的软件尤其多，有通用的软件，如Abaqus，Ansys，Marc等，也有专用软件sysweld，Simufact.welding等。目前该类仿真的群里也是最大的，研究者和本科基本都在研究这类问题。花开千朵，我们取只表一枝，此次只探讨涉及热力耦合焊接分析。热力耦合包含热过程和力过程两个部分，更多内容可以关注笔者1月6日19时30分，在仿真秀主办2022仿真知识嘉年华第七场讲座带来的报告《焊接模拟中热源处理原则与焊接应力应变仿真》，欢迎专家学者莅临直播间交流，详情见后文。2.1 材料属性方面，要准备材料的热物理参数，包含密度、热导率、比热容、弹性模量，屈服阶段的应力应变曲线，热膨胀系数，潜热等。原则上，自然希望所获得的所有参数都是随温度变化的曲线，但是考虑到计算成本和数据成本，可以将一些参数做常数处理，比如密度。下图列举了我们在仿真中常用的6005A-T6的材料热物理参数
2.2 工况方面，工程师需要对现场的情况成竹在胸，充分了解到现场的构件是什么样的，工装夹具的状态是什么样的，并且对不同的焊接方式的特点要有所了解。比如弧焊的起弧和收弧端，熔池必然与焊接过程中的不同，在焊接试件的焊接分析中，一般会忽略这部分。下图是一个试样焊接过程的边界条件分析图。2.3 焊接参数方面，需要明确知道焊接的相关参数，包含电流、电压、速度，同时如果已经完成了焊接试样，可以通过焊接的金相获得熔合线，进而推断熔池的尺寸。如果还没有进行焊接分析，可以参照WPS，预估熔池的参数。通过以上参数，可以为熔池的参数的定义提供依据。焊接仿真是比较复杂的多场耦合分析，因此在进行焊接分析的时候，一定要选择具备热力耦合功能的软件。其次由于焊接是一个移动的热源载荷，所以在软件的选取上，要关注热载荷的输入情况，要不在软件中可以支持热源的定义，要不可以支持子程序的定义，两者各有优缺点。集成热源的，一般都是常用双椭球热源，高斯热源等，对于比较复杂的热源形式，一般不支持。支持子程序的，定义较为灵活，可以支持任意形式的热源，但是子程序的使用略有复杂，有一定的技术难度。在焊接的耦合过程中，最符合焊接工况的是实时的完全热力耦合分析。以abaqus为例，Coupled thermal-electrical分析步为完全热力耦合分析步，在该分析步中，abaqus使用反向差分法对温度进行积分，并使用牛顿法求解非线性耦合系统。Abaqus/Standard为全耦合温度位移分析提供了牛顿方法的精确和近似实现。
完全耦合的方法对求解焊接分析特别适合，但是带来的代价是较为昂贵的计算成本和较高的收敛难度，当计算规模较大时，难以收敛。因此大多数软件采取的顺序耦合的方法以提升计算效率。所谓的顺序耦合是先计算温度场，再计算应力场。仍以abaqus为例，计算温度场的分析步为Heat transfer 分析步，通过求解热力学偏微分方程获得任意时刻的温度场分布。
然后再通过Static,General通用分析步，计算应力场分布焊接仿真无疑是复杂的，本文主要关注在焊接仿真的前半段过程，进行相关的思路梳理，希望通过思路的梳理，能够对大家的仿真过程起到一定的指导意义。为了帮助读者朋友更好的理解焊接仿真，1月6日19时30分，笔者受邀在仿真秀主办2022仿真知识嘉年华的第七场讲座带来《焊接模拟中热源处理原则与焊接应力应变仿真》报告。以下是我的直播安排，欢迎专家学者莅临直播间交流。
2022嘉年华（七）：焊接模拟中热源处理原则与焊接应力应变仿真-仿真秀直播
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（完）
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