机械工程师MECHANICALENGINEER2023年第8期网址：www.jxgcs.com电邮：hrbengineer@163.com基于ANSYS的平板焊接热-结构耦合场数值模拟刘奇，田辈辈，赵锋（焦作大学机电工程学院，河南焦作454000）0引言钢结构具有强度大、相对质量轻、塑性延性大及抗震性能好等特点，在实际工程中被广泛使用。钢结构件主要的连接方式为螺栓连接、铆钉连接和焊缝连接，又以焊接最为常见[1]。相比于其他连接方式，焊接具有结构简单、接头强度大、致密性好、节省金属、生产率高及成本较低等优点。金属构件焊接和冷却过程中，移动热源产生的集中热量在短时间内输入到焊缝的局部区域，使得焊缝和相邻母材区的金相组织结构发生变化而产生应变，最终无法消除的应力便是残余应力[2]。焊接残余应力影响结构的刚度和稳定性，易导致结构应力腐蚀和开裂、疲劳破坏和脆性断裂，焊接电压、焊接电流、焊接速度、焊接材质、坡口形状等因素同样会影响焊接质量，因此开展焊接模拟分析对于保证实际焊接过程的可靠性、优化焊接工艺具有一定的意义。20世纪30年代，国外学者开始对焊接过程中的应力应变进行分析，然而他们的研究分析也仅局限于实测性的定性分析[3]。国内对于焊接模拟的数值分析开始相对较晚，赵秋等[4]利用ANSYS软件，利用有限元思想对苏通大桥桥面板的U肋进行焊接数值模拟及实验测量，获得了焊缝处的残余应力分布情况，并进一步研究了焊件厚度对焊后残余应力的影响。本文利用有限元分析软件ANSYS对平板焊接进行数值模拟，并研究焊接过程中焊缝处的温度变化情况，以及焊接冷却后的残余应力分布情况。1焊接数值模拟过程介绍1.1物理场的选择焊接模拟以弹塑性理论和有限元思想为基础，因同时涉及温度和位移（应力应变）变化，应考虑多场耦合[5]。目前自然界中存在位移（力）场、热场、流场和电磁场四大物理场，实际物理问题通常是单场或者是多场的耦合，在进行焊接模拟时，涉及到温度和应力的相互作用，应进行热-结构耦合场分析。在利用ANSYS进行热-结构耦合场计算时，通常有两种思路：一是直接耦合法，同时计算焊接过程的温度和应力数值，直接得到二者的结果，该方法适用于耦合场之间具有高度非线性的相互作用的情形，但计算过程耗时较长，计算结果容易不收敛；二是间接耦合法，先得到有限元网格模型中各节点的温度场分布，再以节点温度数据为载荷输入进行热应力计算，该方法更灵活简捷，计算耗时短且结果易收敛[6]。因此，本文采用间接的热-结构耦合方法进行研究。1.2有限元...
