TCWAN0063-XXXX焊接数值模拟固有应变法

T/CWAN0063—XXXX

焊接数值模拟固有应变法

1范围

本文件规定了焊接数值模拟流程、一般要求、仿真建模规则、接头固有变形的计算、仿真结果评估、

仿真分析报告构成等内容与规范。

本文件适用于基于固有应变法的工程机械焊接结构件熔化焊（气保焊、激光焊等）的焊接变形预测。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于

本文件。

GB/T31054机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语

GB/T33582机械产品结构有限元力学分析通用规则

ISO/TS18166焊接数值模拟执行和文档(Numericalweldingsimulation—Executionand

documentation)

ISO/TR25901（所有部分）焊接及相关工艺词汇（Weldingandalliedprocesses—Vocabulary）

T/CWANXXXX—2023焊接数值模拟热弹塑性有限元方法

3术语和定义

GB/T31054、GB/T33582、ISO/TR25901、ISO/TS18166和T/CWANXXXX—2023界定的以及下列

术语和定义适用于本文件。

3.1

固有应变inherentstrain

经历焊接热循环后，焊缝及其附近产生的永久应变。

3.2

固有变形inherentdeformation

固有应变在焊缝横截面上的积分结果。

3.3

固有应变法inherentstrainmethod

一种焊接变形数值模拟方法，其原理是将焊缝及其附近的固有应变作为初始值进行一次弹性分析，

从而得到焊接结构的整体变形。

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4基本流程

固有应变法焊接数值模拟的基本流程主要包括有限元模型建立、模型求解、结果评估、仿真方案

制定实施及报告编写，具体参见附录A。

5一般要求

有限元模型分析前应符合下述要求：

——应按照GB/T33582附录B规定选择SI单位制，质量单位选择吨，长度单位选择毫米，应力

单位选择兆帕，时间单位选择秒，密度单位选择吨/立方毫米，力的单位选择牛，模型材料属

性单位应与几何模型单位一致；

——应选笛卡尔直角坐标系，当边界条件中有力或者约束与全局坐标系不一致时，可增加局部坐标

系；

——焊接CAD模型应结构完整，装配关系清晰明了；

——三维建模软件可选用Creo，网格划分软件可选用Hypermesh，焊接仿真专用软件可选

JWRIAN-Assembly或Jweld，大型通用软件可选Abaqus或Ansys。

6焊接仿真分析模型建立规则

6.1几何模型建立及简化

6.1.1几何模型简化应符合准确性和经济性两个原则。

6.1.2焊接仿真分析的几何模型简化原则：

——应对模型进行干涉检查，避免模型中存在干涉；

——应删除对焊接变形影响较小且不重要的零部件，如螺丝、油缸、吊耳、安装板、固定板等；

——应删除各个零件上的圆角、切角、退刀槽、凸台、无焊缝填充的倒角等细节特征；

——应删除各个零件上直径≤10mm的孔；

——应简化不规则的截面形状。

6.2有限元网格划分

6.2.1使用JWRIAN-Assembly软件时应采用壳单元网格划分，使用Abaqus和Ansys软件时应采用实体

单元网格划分。

6.2.2基于壳单元的网格划分应遵守以下原则：

——应对模型进行干涉检查，避免模型中存在干涉；

——将模型导入Hypermesh中，宜选择offset+plane的形式对几何模型抽取中面，当抽取的中面存

在破损的情况时，可选择其它中面抽取方式；

——应调整需要对齐的平面，并去除中面上的圆倒角、切角等细节特征；

——应去除中面间隙，使各中面相交；

——应修补模型的破面，合并距离很近的边及节点；

2

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——应去除模型中存在的自由边；

——应将对接接头、角接接头各组件中面的交线作为焊缝，如图1和图2所示；

——应在搭接接头两组件中面之间建立一个面P，并将该面作为搭接接头P1组件中面的一部分，

P1组件与P2组件的交线为搭接接头的焊缝，如图3所示；

——应在端接接头两组件中面之间建立一个面，并将该面平均分为A，B两个面，分别赋给P1，

P2两个组件的中面，两组件中面的交线为端接接头的焊缝，如图4所示；

——当两组件之间的焊缝超过一条时，应将组件切割成为多个组件，使每两个组件之间仅有一条焊

缝，如图5所示；

——建立焊接仿真分析模型时，宜使用四边形低阶单元；

——应在焊缝位置划分足够多的网格来准确预测变形，小型结构焊缝长度方向宜不少于8个单元，

大型结构宜不少于6个单元，超大型结构宜不少于4个单元。

a）几何模型b）中面模型

标引序号说明：

1——几何模型中的组件P1；

2——几何模型中的焊缝；

3——几何模型中的组件P2；

4——几何模型中组件P1的中面；

5——几何模型中组件P2的中面；

6——中面模型中的组件P1；

7——中面模型中的焊缝；

8——中面模型中的组件P2。

图1对接接头的简化

a）几何模型b）中面模型

标引序号说明：

1——几何模型中的组件P1；

3

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2——几何模型中的焊缝；

3——几何模型中的组件P2；

4——几何模型中组件P1的中面；

5——几何模型中组件P2的中面；

6——中面模型中的组件P1；

7——中面模型中的焊缝；

8——中面模型中的组件P2。

图2角接接头的简化

a）几何模型b）中面模型

标引序号说明：

1——几何模型中的组件P1；

2——几何模型中的焊缝；

3——几何模型中的组件P2；

4——几何模型中组件P1的中面；

5——几何模型中组件P2的中面；

6——中面模型中的组件P1；

7——中面模型中的焊缝；

8——中面模型中的组件P2;

9——中面模型中的面P。

图3搭接接头的简化

a）几何模型b）中面模型

标引序号说明：

1——几何模型中的组件P1；

2——几何模型中的焊缝；

3——几何模型中的组件P2；

4——几何模型中组件P1的中面；

5——几何模型中组件P2的中面；

6——中面模型中的组件P1；

7——中面模型中的面A；

8——中面模型中的焊缝；

9——中面模型中的面B；

10——中面模型中的组件P2。

图4端接接头的简化

4

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a）组件切割前b）组件切割后

标引序号说明：

1——切割前的组件P1；

2——切割前的组件P2；

3——切割前组件P1与组件P2形成的焊缝w1；

4——切割前组件P1与组件P2形成的焊缝w2；

5——切割后的组件P1；

6——切割后的组件P2；

7——切割后形成的新组件P3；

8——切割后组件P1与P2形成的焊缝w1；

9——切割后组件P2与P3形成的焊缝w2；

10——切割后组件P1与P2形成的焊缝w3。

切割前组件P1与组件P2组成的C型结构之间存在焊缝w1和焊缝w2，应将组件1切割成为组件P1和组件P3，此时C型结构

中多出焊缝w3，变形计算时应忽略焊缝w3，将组件P1与P3之间设置为刚性连接。

图5C型结构的简化

6.2.3基于实体单元的网格划分宜符合T/CWANXXXX—2023的规定。

6.3焊接接头固有变形计算

利用固有应变法计算结构焊接变形，应先根据结构特征提取其接头形式，再根据接头形式的不同分

别提取固有变形（包括纵向固有收缩、横向固有收缩、横向固有弯曲和纵向固有弯曲），最后在软件中

输入固有变形值进行变形计算。焊接接头固有变形可采用实验方法、热弹塑性法和经验公式法进行计算，

计算步骤见附录B，主要包括以下内容：

a）附录B.1给出了采用实验方法提取固有变形的步骤；

b）附录B.2给出了采用热弹塑性法提取固有变形的步骤；

c）附录B.3给出了采用经验公式计算固有变形的步骤。

6.4计算条件设置

6.4.1力学边界条件的施加

模型结构边界条件的设定应符合以下原则：

——焊接仿真分析模型的结构边界条件设定应符合实际工况；

——当在自由状态下进行焊接变形计算时，应限制仿真模型的6个自由度，以防止工件发生刚体位

移和转动，宜使用如图6所示的约束方式；

——当在装夹条件下进行焊接变形计算时，应在夹具作用位置施加位移约束。

5

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图6限制刚体位移的约束方式

6.4.2固有变形的施加

6.4.2.1基于壳单元模型的固有变形的施加应符合以下原则：

——单元法向应保持一致；

——固有变形的施加位置应符合6.2.2中规定的焊缝位置。

6.4.2.2基于实体单元模型的固有应变的施加应符合以下原则：

——宜施加到焊缝热影响区；

——宜通过修改材料热膨胀系数的方法施加固有应变，应保证固有应变的方向与坐标系的方向一

致，针对异形焊缝，应通过对焊缝进行分段，并建立局部坐标系的方式保证固有应变与坐标系

方向的一致性。

6.5有限元模型的检查

6.5.1网格模型的检查

网格划分完成后，应对网格进行检查，检查内容及要求如下：

——模型中不应有重复、折叠、畸变和连接问题的网格；

——网格检查的主要参数包括单元的法向、长宽比、雅克比、内角、翘曲度、偏斜度，单元质量

控制参数应符合表1的规定；

——应优先保证焊缝位置的网格质量；

——应检查相连组件间是否存在未耦合的节点，并进行节点耦合操作。

表1单元质量检查控制参数

参数长宽比雅克比内角翘曲度偏斜度

数值5～10≥0.340～135°≤18°≤60°

6.5.2模型设定的检查

模型设定完成后，应对模型进行检查，检查内容及要求如下：

——组件属性检查，应对模型中的各个组件进行排序，并分别赋予属性特征，确保组件顺序与属

性顺序一一对应；

——力学边界检查，依据模型在实际焊接过程中的约束状态，检查模型的约束。

6

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7仿真结果评估

7.1表象评估

结果表象评估，具体方法如下：

——检查模型的奇异比；

——检查模型的收敛性；

——分析焊接变形的合理性。

7.2变形趋势评估

通过三维扫描的形式确定物理样件的变形趋势，具体方法如下：

——采用三维扫描仪对焊接后的物理样件进行整体扫描；

——将有限元分析的网格模型导出为stl文件；

——采用最小二乘法进行两个文件拟合，比对模型的重合度。

7.3关键位置数据评估

进行物理样件试验，对比关键位置的有限元结果和试验结果，以试验结果为依据修正固有变形参数，

重新计算评估，保证变形结果偏差不大于10%。

7.4仿真方案制定与实施

基于7.1~7.3评估得到的合理有限元模型，可制定考虑焊接顺序、焊接工装夹具、焊前反变形等工艺

的仿真方案，并进行仿真实施与验证，获得符合目标值要求的焊接变形控制方案。

8仿真分析报告

根据具体的分析对象、分析目的等编写分析报告，模板见附录C，仿真实施过程可参见附录D示出

的对接接头MIG焊接的变形模拟仿真实例，报告至少包括但不限于以下内容：

——仿真对象，详细描述组件或者结构、焊接工艺和参数；

——仿真目标，介绍分析问题背景，说明采取的分析手段、阐述预期结果细节；

——物理模型，描述需要模拟的物理过程，给定的边界条件及简化假设；

——分析过程，描述几何模型的简化、网格划分、材料属性、边界条件、求解参数及求解方式；

——结果分析，应给出关键位置的焊接变形值及典型的图标结果，如变形、应力/应变云图。图表

应简明易懂且不应有无关的信息；

——模型校核，应给出保证模拟结果正确的措施，主要有模型核查、与物理样件对比验证。

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附录A

（规范性）

基于固有应变法焊接数值模拟流程图

基于固有应变法焊接数值模拟基本流程如图A.1所示。

图A.1基于固有应变法焊接数值模拟流程图

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附录B

（资料性）

固有应变的提取及数据修正

B.1实验方法

B.1.1利用实验方法提取对接接头固有变形的主要步骤如下：

——根据图B.1及表B.1所示的细节参数截取两块板材，并根据板材厚度填充表B.1第一行数据；

——拼装两块平板并点焊固定，使用冲头和锤子在平板上下表面进行标记，位置如图B.1中的黑

点所示；

——宜采用三坐标仪测量标记点位置坐标，计算表B.1第二行相关数据并填充；

——测量后在自由状态下焊接平板；

——焊后测量接头相关尺寸，填充表B.1第三行数据；

——将相关数据带入公式（B.1）～（B.3）计算接头纵向固有收缩、横向固有收缩和横向固有弯

曲，其中ΔL或Δb为负值时表示收缩；

——一般情况下纵向固有弯曲（θx*）取值0rad。

注1：OL为该对接接头总长度。

注2：B为接头总宽度。

注3：L、b为参考点位置，其中L参考点仅在下表面标记，b参考点在上、下表面均标记。

注4：ΔL为焊接后上下表面的平均收缩量。

注5：Δbt为焊接后接头上表面b的收缩量。

注6：Δbb为焊接后接头下表面b的收缩量。

注7：e1为焊接后接头左侧L参考点的上翘量。

注8：e2为焊接后接头右侧L参考点的上翘量。

注9：d1、d2分别为左、右L参考点与焊缝中心的距离。

图B.1对接焊接头的实验测量

表B.1对接接头固有变形提取中的相关尺寸（单位：mm）

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b=

尺寸OLLBbtbbd1d2e1e2

(bt+bb)/2

推荐100t60t50t30t30t20t20t00

定位焊后

焊后

注1：t为板厚。

注2：bt为b在焊后接头上表面的对应值。

注3：bb为b在焊后接头下表面的对应值。

…………（B.1）

…………（B.2）

………………（B.3）

式中：

*

δx——纵向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

δy——横向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

θy——横向固有弯曲，单位为弧度（rad）；

θy1——接头左侧横向固有弯曲，单位为弧度（rad）；

θy2——接头右侧横向固有弯曲，单位为弧度（rad）；

Δb——上表面收缩（Δbt）与下表面收缩（Δbb）的平均值。

B.1.2对于由一块平板和腹板组成的T形接头（如图B.2所示），可用类似于对接接头的方式来测量接头

的固有变形。当难以准确量取平板上表面b参考点间距时，可只在平板背面做好标记测量距离变化。平

板和腹板的固有变形（纵向固有收缩、横向固有收缩、横向固有弯曲）应分别根据公式（B.4）～（B.6）

和公式（B.7）～（B.9）计算，通常认为平板和腹板的纵向固有弯曲（θx*）为0rad。

注1：H表示腹板高度。

注2：ΔH表示焊接后腹板高度的收缩量。

注3：c表示焊接后腹板顶端横向位移。

图B.2T形接头的实验测量

…………（B.4）

（B.5）

…（B.6）

式中：

*

δxp——平板纵向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

δyp——平板横向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

θyp——平板横向固有弯曲，单位为弧度（rad）；

t——平板板厚，单位为毫米（mm）。

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…………（B.7）

…（B.8）

………………（B.9）

式中：

*

δxw——腹板纵向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

δyw——腹板横向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

θyw——腹板横向固有弯曲，单位为弧度（rad）。

B.2热弹塑性有限元法

B.2.1测量法

利用测量法从热弹塑性有限元计算结果中提取固有变形的主要步骤如下：

——利用热弹塑性有限元法计算简单焊接接头变形；

——参考B.1中提及的方法标记有限元模型中的参考点，并测量相关数据；

——根据公式（B.1）～（B.3）计算对接接头固有变形，根据公式（B.4）～（B.9）计算T形接

头固有变形，依然认为纵向固有弯曲为0rad。

B.2.2积分法

利用积分法从热弹塑性有限元计算结果中提取固有变形的主要步骤如下：

——利用热弹塑性有限元法计算简单焊接接头变形；

——从计算结果中提取焊缝截面上沿厚度方向（Z向）分布的三个塑性应变分量，即x方向上的

塑性线应变εpx、y方向上的塑性线应变εpy和X-Y方向上的塑性切应变εxy，示例如图B.3所示；

——根据塑性应变分布图，利用公式（B.10）～（B.13）计算接头固有变形：

…………（B.10）

…………（B.11）

………（B.12）

………（B.13）

式中：

t——焊接板材厚度，单位为毫米（mm）；

z——以板中面为参考的厚度方向坐标。

图B.3塑性应变分量εpx，εpy,εpxy在焊缝横截面上的分布图

B.3经验公式方法

B.3.1基于壳单元的经验公式法

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B.3.1.1对接接头固有变形计算经验公式如下：

………（B.14）

…………（B.15）

…………（B.16）

（B.17）

（B.18）

0…………（B.19）

式中：

Q——有效热输入，单位为焦每毫米（J/mm）；

U——焊接电压，单位为伏特（V）；

I——焊接电流，单位为安培（A）；

v——焊接速度，单位为毫米每秒（mm/s）；

n——焊接道次；

h——等效板厚，单位为毫米（mm）；

t1——对接接头其中一板板厚，单位为毫米（mm）；

t2——对接接头另一板板厚，单位为毫米（mm）；

*

δx——纵向固有收缩，单位为毫米（mm）；

E——弹性模量，单位为吉帕斯卡（GPa）；

*

δy——横向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

θy——横向固有弯曲，单位为弧度（rad）；

*

θx——纵向固有弯曲，单位为弧度（rad）；

t——平板板厚，单位为毫米（mm）。

B.3.1.2角接接头固有变形计算经验公式如下：

………（B.20）

…………（B.21）

…………（B.22）

…………（B.23）

…………（B.24）

…………（B.25）

………………（B.26）

……（B.27）

…………（B.28）

…………（B.29）

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…………（B.30）

…………（B.31）

式中：

Qp——角接接头底板有效热输入，单位为焦每毫米（J/mm）；

Qw——角接接头腹板有效热输入，单位为焦每毫米（J/mm）；

t1——腹板板厚，单位为毫米（mm）；

t2——底板板厚，单位为毫米（mm）；

F——室温时引起工件纵向焊接变形的纵向收缩力，单位为千牛顿（kN）;

*

δxp——底板纵向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

δyp——底板横向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

θyp——底板横向固有弯曲，单位为弧度（rad）；

*

θxp——底板纵向固有弯曲，单位为弧度（rad）；

*

δxw——腹板纵向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

δyw——腹板横向固有收缩，单位为毫米（mm）；

*

θyw——腹板横向固有弯曲，单位为弧度（rad）；

*

θxw——腹板纵向固有弯曲，单位为弧度（rad）。

B.3.2基于实体单元的经验公式法

基于实体单元的固有应变计算经验公式如下：

…………（B.32）

…………（B.33）

…………（B.34）

…………（B.35）

…………（B.36）

………（B.37）

………（B.38）

式中：

Q——焊接线能量，单位为焦每毫米（J/mm）；

U——焊接电压，单位为伏特（V）；

I——焊接电流，单位为安培（A）；

v——焊接速度，单位为毫米每秒（mm/s）；

2

Wx——焊缝纵向固有应变的总和，单位为平方毫米（mm）;

2

Wy——焊缝横向固有应变的总和，单位为（mm）;

F——焊缝横截面积，单位为平方毫米（mm2）；

εx——纵向固有应变；

εy——横向固有应变；

K——纵向固有应变系数，单位为立方毫米每焦（mm3/J）；

ξ——横向固有应变系数，单位为立方毫米每焦（mm3/J）；

h——板材厚度，单位为毫米（mm）。

B.4对接接头固有变形修正

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B.4.1实验方法和热弹塑性有限元法提取固有变形数据时，应按照图B.4标识选点测量，按照公式（B.39）～

（B.48)计算四个固有变形参数（纵向固有收缩，横向固有收缩，纵向固有弯曲，横向固有弯曲），记

为（a0，b0，c0，d0）。选择的测量点应遵守以下原则：

——对于横向收缩和横向弯曲，选择中间横截面上的点；

——对于纵向收缩，选择位于边缘和焊缝之间的点；

——对于纵向弯曲，选择靠近焊缝的点；

——当采用热弹塑性有限元法计算固有变形时，焊缝两侧对称位置节点位移应相同，不同时应取平

均值。

注：Pi（xi，yi，zi）表示板（壳模型）平面上的任意点。

图B.4对接接头实验测量或FEM取点示意图

B.4.2纵向固有收缩a0可以通过焊缝长度方向的平均收缩评价,较大的纵向弯曲使两个测量点之间的直线

距离比实际收缩短，故应使用曲线距离：

………………（B.39）

……（B.40）

……（B.41）

……（B.42）

……（B.43）

……………（B.44）

……………（B.45）

式中：

LC——两个测量点间的曲线距离，单位为毫米（mm）；

B——对接接头宽度,单位为毫米（mm）；

dz——两个测量点间的曲线对应弦长，单位为毫米（mm）；

x0,i——点Pi的初始横坐标，单位为毫米（mm）；

y0,i——点Pi的初始纵坐标，单位为毫米（mm）；

xi——点Pi的变形后的横坐标，单位为毫米（mm）；

yi——点Pi的变形后的纵坐标，单位为毫米（mm）；

Uzi——点Pi在z方向上的位移，单位为毫米（mm）。

B.4.3横向固有收缩b0，可用三个垂直于焊缝方向的截面上的平均收缩率近似表示：

…………（B.46）

B.4.4纵向固有弯曲c0，可用焊缝处或焊缝附近两条纵线处的平均弯曲曲率表示：

…………（B.47）

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B.4.5横向固有弯曲d0，可用焊缝处或焊缝附近两条纵线处的弯曲角表示,弯曲角单位应为弧度（rad）：

………（B.48）

B.4.6当仿真结果与实际变形差距较大时，应对接头固有变形参数进行修正，具体步骤如下：

——提取焊接试板上各标记点的实际焊接变形(Ux0(Pi)，Uy0(Pi)，Uz0(Pi))，然后按照B.4.2～B.4.5

计算初始固有变形参数(a0，b0，c0，d0)；

——将初始固有变形参数(a0，b0，c0，d0)输入JWRIAN软件中进行焊接变形预测，提取预测结果

中各标记点变形(Ux1(Pi)，Uy1(Pi)，Uz1(Pi))，然后按照B.4.2～B.4.5计算固有变形参数(a1，b1，

c1，d1)，并通过公式ratio_a1=a1/a0，ratio_b1=b1/b0，ratio_c1=c1/c0，ratio_d1=d1/d0评估准确性，

如果这些比值接近1.0，说明初始固有变形参数(a0，b0，c0，d0)较为准确，可将该参数作为实

际接头的固有变形，否则，计算误差ERa1=a1-a0，ERb1=b1-b0，ERc1=c1-c0，ERd1=d1-d0；

——如果误差大于预期，则按照公式a1=a0/ratio_a1，b1=b0/ratio_b1，c1=c0/ratio_c1，d1=d0/ratio_d1更

新固有变形参数(a1，b1，c1，d1)，在JWRIAN中输入更新后的(a1，b1，c1，d1)，再次计算焊接

变形，按照B.4.2～B.4.5计算固有变形参数(a2，b2，c2，d2)，并计算误差ERa2=a2-a0，ERb2=b2-b0，

ERc2=c2-c0，ERd2=d2-d0，如果误差足够小，则将(a1，b1，c1，d1)作为实际接头的固有变形；

——如果误差大于预期，可基于(a1，b1，c1，d1)和(a2，b2，c2，d2)进行线性估计，得出固有变形参

数(a3，b3，c3，d3)，如图B.5所示，然后将(a3，b3，c3，d3)输入JWRIAN中重新计算焊接变形，

并计算其误差，如果误差足够小，则将其作为实际接头固有变形。

图B.5固有变形参数线性估计

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附录C

（资料性）

文档模板

表C.1给出了仿真报告文档模板。

表C.1文档模板

编制：XXXX

公司名称：XXXX版本：V1

依据：焊接数值模拟-固有应变法

部门：XXXX日期：JJJ-MM-TT

第X页共X页

封面简要说明

仿真对象

仿真目标

物理和数学模型

求解方法和应用软件

结果和结论摘要

确保模拟结果质量采取的措施摘要

措施备注/说明

已检查[]是[]否模型检查

已验证[]是[]否仿真结果与实验结果对比，例如:激光三维扫描变形测量

其他：

备注（可选）

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附录D

（资料性）

对接接头MIG焊接的变形模拟仿真报告

表D.1给出了对接接头MIG焊接的变形模拟仿真报告。

表D.1对接接头MIG焊接的变形模拟仿真报告

编制：XXXX

公司名称：版本：

XXXX依据：焊接数值模拟固有应变法V1

部门：XXXX日期：JJJ-MM-TT

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封面简要说明

仿真对象：

201不锈钢对接接头的MIG脉冲电弧焊，板厚4mm，间隙为2.0mm的I型坡口。

仿真目标：

模拟201不锈钢MIG焊接变形和残余应力。

物理和数学模型：

/

求解方法和应用软件：

固有应变法焊接变形仿真，Jwrian

结果和结论摘要：

计算出的变形与光学变形测量变形趋势一致，数值相近。

确保模拟结果质量采取的措施摘要

措施备注/说明

已检查[]是[]否模型检查

已验证[]是[]否仿真结果与实验结果对比，激光三维扫描变形测量。

其他：

备注（可选）

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D.1模拟对象

工件尺寸:400mm×300mm×4mm

母材:201不锈钢

填充材料:S308L

保护气体:I1

保护气体流量:20l/min

工艺半自动化MIG焊接，131

电源:松下YW-50DNW

电弧类型:脉冲电弧

平均功率:3840W

焊接速度6.67mm/s

焊丝直径:1.0mm

干伸长:10mm

焊枪角度0°

焊缝开口角度:0°

接头形式，拼焊位置:I型对接，0mm，200mm，400mm

预热温度:20℃

夹紧：静态确定

单位为毫米

标引序号说明：

1——陶瓷垫板；

2——装配平台；

3——拼焊点。

图D.1工件示意图

D.2模拟的目的

建立对接接头仿真模型，根据实际焊接接头固有变形，利用固有应变法进行焊接变形分析，并进行

合理实验验证。

D.3物理模型

做以下几点假设：

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——对于整个部件，可以假设材料特性是理想均匀的，各向同性的；

——假设部件没有预应力存在；

——忽略组件尺寸公差；

——采用三点约束施加力学边界条件。

D.4数学模型和求解方法

D.4.1固有变形分量

****

固有变形主要由四个部分组成：纵向收缩(δx),横向收缩(δy),纵向弯曲(θx)，以及横向弯曲(θy)，这

四个变形分量定义见公式（D.1-D.4）。

…………（D.1）

…………（D.2）

………（D.3）

………（D.4）

式中：

εpx——x方向上的塑性应变；

εpy——y方向上的塑性应变；

t——焊接板材厚度，单位为毫米（mm）；

z——以板中面为参考的厚度方向坐标。

D.5实施

D.5.1模型网格划分和约束设置

根据试板几何模型抽取中面，使用四边形壳单元进行2D网格划分，网格大小为2mm，采用三

点约束方式（见图D.2）。

图D.2试板网格和约束

D.6评估和结果展示

D.6.1变形

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实验测量焊后变形如图D.3a)所示。仿真模拟焊后变形如图D.3b)所示。两图均显示样件冷却时的z

方向变形（最终变形）。实验测量的z方向的最大变形为3.6mm，仿真计算得出最大变形值为3.8mm。

从定性和定量角度看，计算获得焊接翘曲变形与实验均一致。

a）试验b）仿真

图D.3z方向变形

D.7模拟结果评估

D.7.1模型参数的校准

修正接头固有变形参数。

D.7.2模拟结果的可靠性检查和验证

通过参考比较实验测量数据来进行模型的合理性检查。