ABAQUS进行焊接仿真分析（含子程序）

0  前言

焊接技术作为现代制造业中的重要连接工艺，广泛应用于汽车、船舶、航空航天、能源等多个行业。焊接接头的质量和性能直接影响到结构件的安全性、可靠性和使用寿命。因此，在焊接过程中如何有效预测和优化焊接过程中的热效应、应力变化以及材料变形等问题，成为了焊接研究和工业应用中的核心课题。

焊接过程中，由于高温的局部作用，常常会产生显著的热应力、残余应力及变形现象。这些因素不仅影响焊接接头的质量，还可能导致结构的开裂、变形甚至失效。传统的焊接工艺设计和优化方法依赖于大量的试验和经验积累，但这种方法不仅成本高、周期长，还难以应对复杂焊接过程中的不确定性。随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，焊接仿真分析成为了一种重要的研究和工程工具。通过焊接仿真分析，可以在设计阶段预测焊接过程中的各种物理现象，为优化工艺参数和改善焊接质量提供科学依据。

在众多数值仿真软件中，ABAQUS作为一款先进的有限元分析软件，因其强大的非线性分析能力和多物理场耦合求解功能，在焊接仿真分析领域得到了广泛应用。ABAQUS不仅能够精确模拟焊接过程中温度场、应力场、变形场等复杂的物理现象，还能够有效处理多种焊接工艺的分析，包括电弧焊、激光焊、钎焊等。通过ABAQUS的仿真功能，工程师可以在焊接前预测焊接接头的热循环效应、残余应力、塑性变形等问题，从而优化焊接工艺，减少实际生产中的试验次数和材料浪费。

近年来，国内外对焊接仿真分析的研究已经取得了显著进展。国外如美国、德国、法国等国家的研究机构和企业，早在上世纪80年代末期便开始了焊接过程的数值模拟研究，并形成了成熟的仿真技术和理论体系。ABAQUS作为其中的重要工具，在焊接热效应、残余应力、变形预测等方面得到了广泛的应用。国内在焊接仿真领域的研究起步较晚，但随着计算机技术的发展，近年来也取得了显著成就。许多高校和科研机构在焊接仿真方法的改进和应用方面开展了大量的研究，部分国内企业也已开始将焊接仿真技术应用于实际生产中，取得了良好的效果。

尽管如此，焊接仿真分析仍面临许多挑战，尤其是在复杂焊接过程的多物理场耦合和多尺度建模方面。如何在保证计算精度的同时提高仿真效率、如何处理复杂接头的应力应变分析等问题，仍然是焊接仿真领域的研究热点。本论文将针对焊接仿真实例进行介绍以及分析。

1  Q345qD焊接模型

1.1  试验材料

本实验材料为中间断裂的Q345qD桥梁专用钢这种钢主要用于制造大型桥梁结构，如高速公路、铁路桥梁等，与我们的生活息息相关。因此，本次实验采用Q345qD钢进行焊接仿真分析。本实验采用模型如下图所示：

图1.1中间断裂的Q345qD

Q345qD 桥梁钢是一种低合金高强钢，含碳量为0.16%，其自身具有较好的抗 疲劳性、低温韧性和优良的机械强度，对大型的车辆载荷和冲击载荷具有一定的承 受能力，及具有良好的塑性和焊接性等特点，是一种专门用于铁路高架桥及公路桥 梁的钢材料。其化学成分如表1所示：

表1 Q345qD 的化学成分表（单位：%）

	C	Mn	Si	V	Nb	Ti	Cr	Ni
标准	≤0.18	≤1.6	≤0.55	0.01~0.08	0.005~0.06	0.006~0.03	≤0.3	≤0.3
合格证	0.16	1.48	0.21	0.01	0.0055	0.0067	0.2	0.1

    从表1中可知，Q345qD桥梁钢的化学成分多为Mn元素和Si元素，其淬硬性较低，无需焊前预热。

1.2 试验过程

试验过程包括以下步骤：首先，根据试验区域几何形状划分网格，并将裂缝划分为10个生死单元以模拟裂纹动态扩展。设置钢板和焊缝材料为Q345qD，并分为前热、焊接和后热三个分析步骤。前热用于降低热影响区冷却速度，焊接通过体热通量模拟热源作用，后热进行热处理以消除焊接应力。在此过程中，设置裂缝生死单元的快速切换及表面热交换，确保热量传递的精确性；通过子程序模拟焊接热源对周围区域的热流影响。最后提交作业，分析焊接过程中温度场、应力场及裂纹扩展结果。为优化实验，可细化裂缝单元、校核材料参数、采用更复杂的热源模型、增加分析步骤细分，并验证子程序可靠性，同时通过多维可视化工具直观展示分析结果，流程图如图1.2所示：

图1.2 试验流程图

2  实验过程

2.1 划分单元格

2.1.1 局部布种

首先，选择厚度方向为1mm设置一个单元，总共是4mm，即设置四个单元，并选择所有厚度方向的边，并点击确定，局部种子基本信息如下图所示：

图2.1 厚度方向局部种子基本信息

接着，在宽度方向，选择所有的边为渐变，按照尺寸布种，单精度偏移，尺寸最小为1mm，尺寸最大为4mm，使种子从两边向中间减小，其基本信息如下图所示：

图2.2 宽度方向局部种子基本信息

其次，选择中间焊缝的上下两条边为其布种，设置其按照尺寸，无偏移，其基本信息如下图所示：

图2.3 焊缝处局部种子基本信息

最后，在长度方向，选择所有长度方向上的边设置其按照尺寸，无偏移，并选择2mm为一个单元。

图2.4 长度方向局部种子基本信息

2.1.2 区域划分网格

    先后选择焊缝区域、左右两块板子，并点击确认，得到整个区域网格，区域网格如图2.5所示：

图2.5 长度方向局部种子基本信息

选择所有的单元，设置单元类型为“温度-位移耦合”，使用减缩积分进行计算，计算得到单元为C3D8RT单元。