Simfact材料加工数值模拟焊接热源校核实例详解（3月7日）

导读：仿真模拟可以模拟焊接过程中热源的分布、热量传递、材料熔化等现象，帮助工程师预测焊缝的成形、热影响区的组织变化和性能变化。它有助于在实际焊接前发现潜在的问题，减少试错成本，优化焊接工艺。此外，焊接热源校核仿真还可以为新型焊接热源的研发和改进提供有力支持。通过模拟不同热源条件下的焊接过程，可以评估新型热源的性能和优势，为实际应用提供指导。然而需要注意的是，仿真模拟结果与实际焊接过程仍存在一定的差异。因此在实际操作中需要将仿真结果与实际经验相结合，进行综合分析，以制定更加合理的焊接工艺方案。

由仿真秀主办的“2024设计仿真产学研技术应用报告会”第四期将邀请长期从事材料加工领域数值模拟研究工作，现任沈阳理工大学材料与工程学院材料成型及控制工程专业孟凡玲副教授做《Simufact材料加工数值模拟焊接热源校核实例详解》线上报告，介绍孟老师在焊接数值模拟方面的研究成果，以及Simufact welding软件在焊接模拟仿真中应用经验。此外孟老师将和大家探讨焊接模拟发展新趋势，欢迎大家报名和分享。以下是正文：

一、写在文前

我2012年开始给本科生开设《计算机模拟在焊接中的应用》课程，课程主要内容是用有限元软件模拟焊接的温度场、应力场和变形。最初选择的是一款通用有限元软件，上课效果不太理想。不理想的上课效果不能全归结为软件的问题，是因为课程仅24学时，太少了。我在有限课时里既要介绍有限元的基本原理，又要讲授软件的操作，把一个完整的堆焊案例从头做到尾，课程就结束了。学生的感受就是仅仅学会了一点皮毛，换个案例就费劲了。

经过多年的实践，我开始思考，这门课程主要的目的是解决焊接应力的变形的问题，学生应该学会的不仅仅是软件操作，如果能选择一款专用的焊接软件，软件操作就会占用很少的时间，大部分时间可以教学生做案例，最后考核时给学生一个工厂里的真实案例，让他们实践一下，教学效果可能更好。

鉴于此，我考查了几个专业的焊接有限元软件，后来选择了Simufact welding。Simufact welding对我最大的吸引力是学生上手快，基本两节课就可以掌握软件操作，剩下时间学生可以专注于想要解决的专业问题上，课程效果很好。

后续去企业做了一些Simufact welding软件培训，发现有些工程师的现场经验很丰富，但理论基础稍显不足，比如为什么模拟时校核热源很重要？为什么要用双椭球热源？什么是热循环曲线等等。所以在培训软件的时候，我又增加一些基础知识的讲解，而且尽量用科普形式把复杂的问题讲出来。这次的讲座就是用科普的形式讲焊接热源来龙去脉的一个尝试。

二、讲座的主要内容

下面是这次讲座的内容概要。

焊接是机械制造领域四种连接方式之一，也是应用最广泛的连接方式。焊接是一个多物理场耦合的过程，包括但不限于温度场、力场、组织场和流场。采用实验和数值模拟相结合的方法，研究复杂焊接问题的发展趋势。但现阶段不管是软件还是硬件都达不到同时研究焊接所有物理场的水平，通常研究主要关注的两个到三个物理场，比如常见的热-力耦合研究的是温度场和力场、热-力-组织耦合同时研究温度场-力场和组织场。其中热场是所有物理场里最重要的。因为不均匀的受热是产生应力和变形的根本原因、也是焊接接头处组织多样性的根本原因。

鉴于热场的重要性，我国最早一版的本科生焊接教材里有《焊接热过程》这本书，是天津大学的张文钺老师编写的。但后来高校改革，大部分焊接专业都将这门课删除了，教材也不再出版。焊接热过程仅在方洪渊老师主编的《焊接结构》里作为一个章节出现，而且因为学时少，这一章也不会作为重点讲解。

焊接热过程有自己的特点，比如焊接热过程的局部性或不均匀性、焊接热源的相对运动、焊接热过程的瞬时性。19世纪30年代D. Rosenthal（罗申塞尔）就给出了焊接热传导解析模型，如公式（1）所示。因为D. Rosenthal推导公式时假设为点热源，所以公式（1）在坐标系原点处热源峰值无限大。为了解决点热源温度不准确的问题，后续就用具有一定面积和体积的分布热源代替点热源。

   公式（1）

图1总结了不同的焊接热源模型，其定义为作用于工件上，在时间域和空间域上的热输入分布的一种数学描述。3月7日课程里会给大家讲一下热源模型的发展历程和不同热源的适用范围。

图1

讲座的最后一部分会给大家举一个用Simufactwelding软件校核T型接头组合热源的例子。校核步骤如下：

• 第一步进行试板实验，切割、磨金相、腐蚀、拍焊接接头金相照片并标注尺寸；
• 第二步根据焊缝截面，划分区域，确定形状，选择合适的热源模型；
• 第三步根据实测数据和估算值，初步确定热源尺寸；

• 第四步根据初步计算结果，调整热源参数，直至模拟和实验吻合。

例题采用双椭球+锥台组合热源进行校核。图2是焊接接头金相照片和双椭球热源参数实测及预估公式，校核结果如图3所示。

图2（a）焊接接头金相（b）双椭球热源参数实测及预估公式

图3焊接热源校核结果

三、如何报名和观看

“产学研用”是一种重要的科技创新模式，可以促进产业界、学术界和研究机构之间的紧密合作，推动科技创新和成果转化，促进经济发展和社会进步。仿真秀主办的“仿真产学研用”长期邀请国内外知名的设计仿真专家做线上/线下技术讲座，介绍各行业、各领域最新的仿真技术发展趋势和应用成果，探讨不同场景的工程仿真共性技术解决方案， 助力科研和企业产品技术创新。

3月7日20时，由仿真秀主办的“2024设计仿真产学研技术应用报告会”第四期将邀请长期从事材料加工领域数值模拟研究工作，现任沈阳理工大学材料与工程学院材料成型及控制工程专业孟凡玲副教授做《Simufact材料加工数值模拟焊接热源校核实例详解》线上报告，以下是直播安排：（请识别二维码报名）。

2024仿真产学研用（四）：Simufact材料加工数值模拟焊接热源校核实例详解-仿真秀直播

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