ABAQUS Python 焊接数值模拟二次开发

摘要随着科技的进步，制造工艺在不断的提升，人们对焊接构件的使用性能提出了更高的要求。在确定焊接工艺前，可以使用有限元软件模拟焊件焊接过程，依据模拟出的结果制定焊接工艺。由于高度集中的热量输入，焊接过程中及焊接完成后会产生较大的残余应力，拉应力是产生应力腐蚀的主要原因，对工业生产产生严重危害，造成了大量的安全事故和经济损失。如何较精确的模拟出焊接变形和残余应力尤为关键。焊接冷却过程中伴随着固态相变，由于不同的相的晶格类型及密度不同，相变时金属的体积比将发生改变，以奥氏体-马氏体转变为例，当转变温度高于金属的塑性温度时，相变区域发生塑性变形，冷却后不会影响残余应力。当焊接材料中碳当量较高时，其奥氏体-马氏体转变温度较低，低于金属的塑性温度，冷却后体积增大，使残余拉应力减小。由此可见，固态相变对焊接变形和残余应力有较大影响。为了使模拟出的数据趋于实际，必须考虑固态相变对焊接变形及残余应力的影响。在此设立实验分析熔池冷却时的相变行为对焊接残余应力和焊接变形的影响。关键词：固态相变；焊接变形；残余应力；数值模拟AbstractWiththeprogressofscienceandtechnology,themanufacturingprocessisconstantlyimproving,peopleputforwardhigherrequirementsfortheperformanceofweldingcomponents.Beforedeterminingtheweldingprocess,thefiniteelementsoftwareshouldbeusedtosimulatetheweldingprocessoftheweldment,andtheweldingprocessshouldbeformulatedaccordingtothesimulatedresults.Duetothehighlyconcentratedheatinput,therewillbelargeresidualstressintheweldingprocessandafterthecompletionofwelding.Tensilestressisthemaincauseofstresscorrosion,whichcausesseriousharmtoindustrialproductionandalargenumberofsafetyaccidentsandeconomiclosses.Howtoaccuratelysimulatetheweldingdeformationandresidualstressisveryimportant.Intheprocessofweldingcooling,thesolidphasetransformationisaccompanied.Duetothedifferentlatticetypesanddensitiesofdifferentphases,thevolumeratioofmetalwillchangeduringthetransformation.Takingaustenitemartensitetransformationasanexample,whenthetransformationtemperatureishigherthantheplastictemperatureofmetal,thetransformationareawillundergoplasticdeformation,andtheresidualstresswillnotbeaffectedaftercooling.Whenthecarbonequivalentoftheweldingmaterialishigh,theaustenitemartensitetransformationtemperatureislow,lowerthantheplastictemperatureofthemetal,thevolumeincreasesaftercooling,andtheresidualtensilestressdecreases.Itcanbeseenthatsolidphasetransformationhasagreatinfluenceonweldingdeformationandresidualstress.Inordertomakethesimulateddatapractical,itisnecessarytoconsidertheeffectofsolid-statetransformationonweldingdeformationandresidualstress.Inthispaper,experimentsaresetuptoanalyzetheinfluenceofphasetransformationbehavioronweldingresidualstressandweldingdeformation.Keywords:Solidstatetransformation;weldingdeformation;residualstress;numericalsimulation目录 第一章 绪论 61.1研究背景及意义 61.2国内外研究现状 71.2.1焊接应力变形模拟研究现状 71.2.2相变模型在焊接仿真中的应用 81.3本课题对环境和经济的影响 10第二章ABAQUSPython焊接数值模拟二次开发 122.1焊接过程的有限元分析 122.2Abaqus软件环境结构 132.3Python脚本实现焊接温度场模拟 142.4Python脚本实现焊接应力、应变模拟 152.5利用DFLUX子程序实现焊接移动热源 162.6本章小结 18第三章焊接固态相变 193.1熔池冷却过程中的固态相变 193.2相变过程的体积变化 203.3利用UEXPAN子程序描述膨胀率 213.4本章小结 24第四章26NiCrMoV10-10钢焊接数值模拟 254.1焊接温度场结果分析 254.2焊接应力场结果分析 274.3焊接变形结果分析 294.4固态相变对焊接残余应力的影响 304.4.1固态相变对横向残余应力的影响 304.4.2固态相变对纵向残余应力的影响 314.5固态相变对焊接变形的影响 324.6本章小结 33第五章结论和展望 345.1结论 345.2展望 34第六章项目管理和技术经济分析 36致谢 37参考文献 38附录 40焊接温度场分析源码及分析 40焊接应力、应变模拟源码及分析 43 绪论1.1研究背景及意义焊接是一门古老而又年轻的连接技术，早在秦朝就有使用钎焊的实例，例在秦始皇陵中出土的铜车利用了钎焊技术。在今天焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域占据重要地位[1]。不可拆卸的连接方式有铆接、粘接、焊接三种。铆接的应用较早，但结构笨重、材料消耗大、工序复杂。使用胶剂粘接不会影响被粘材料的组织和性能，但粘接接头的强度较低，应用范围较小。焊接使材料达到原子间的结合，保证了焊接接头的强度，工艺也比较简单，加工成本不高，所以焊接广泛的应用在金属结构的连接中。据统计我国约有40%的钢材需要经过焊接才能使用，随着现代工业的发展，这个数据会日益增加。焊接结构大量应用的同时也暴露了一些严峻的问题。1944年10月美国俄亥俄州发生一起油罐爆炸事故，事故造成128人死亡，造成680万元损失，事故起因认定为硫化氢引起的应力腐蚀破裂。1967年12月，美国俄亥俄州与弗吉尼亚州的一座桥梁突然塌陷，桥面上的车辆和行人坠入河中，造成46人死亡，事后专家发现，钢梁因应力腐蚀和腐蚀疲劳产生裂纹而断裂[2]。我国北京某厂用8mm的Q345钢板制作的大型NaOH存储罐，在使用不久发生破裂，多次补焊后越补越破，最终报废。上海某化工厂用12mm的锅炉钢板制作的高位槽，使用2周后在焊缝位置发生破坏，这些都是应力腐蚀的典型事故[3]。可见，应力腐蚀在石油化工、管道、桥梁、建筑等的焊接结构上时常发生，应力腐蚀造成的安全事故和经济损失十分严重，如何减少应力腐蚀事故十分重要。焊接时瞬时热输入高，在焊接完成后将产生相当大的焊接变形和焊接残余应力。焊接残余应力中的拉应力易使焊接部位发生应力腐蚀，因此焊接残余应力是影响焊接结构安全的主要问题。如何较精确的模拟出焊接变形和残余应力尤为关键。使用ABAQUS模拟焊接变形及残余应力时，通常考虑材料的密度、热导率、固液相变、比热、弹性、塑性、膨胀系数等，忽略了固态相变对焊接过程的影响。本文基于Abaqus有限元分析软件，模拟焊接过程中固态相变对焊接变形及残余应力的影响。现有的研究大多直接对实验结果进行分析，对于实验过程和实验原理的研究较少，鉴于现有的情况和能力，本文主要对原理、过程、结果三方面进行研究。可以为实际生产中的焊接质量问题提供研究数据。文中描述了焊接固态相变的实验原理、具体的实验方法、比较了不同情景的实验结果，分析了焊接过程中固态相变对焊接变形及残余应力的影响。研究并利用这种影响可以降低焊后残余应力，提高焊接结构的质量。1.2国内外研究现状1.2.1焊接应力变形模拟研究现状20世纪70年代，日本大阪大学上田幸雄教授充分考虑了材料力学性能随温度变化，在有限元分析理论和热弹塑性分析理论的基础上，首次对焊接应力应变的理论和实验进行了研究[4]。此外，建立了计算焊接力学的新学科，发表了200多篇计算焊接力学的研究论文和专著，获得了丰硕的成果。加拿大的A.Goldak教授对焊接热传导、焊接接头组织和性能的热应力分析及预测进行了大量的研究[5]，提出了双椭球焊接热源模型。该模型充分考虑了焊接过程中电弧热流的不对称性，现在已广泛应用于焊接过程的数值模拟。Goldak还对从室温到熔点时的焊接热应力进行了分析研究，提出了适用于不同温度阶段的本构方程。瑞典的L.Karlsson教授对大板拼接和薄壁管焊接的残余应力和变形进行了分析研究[6]。在大厚板拼接的研究中，他研究了点焊时焊前间隙变化对焊接的影响。同时，他还研究了板壳连接的三维模型，并利用辅助热源对模型进行了研究，以防止单面焊接时焊接端产生裂纹。B.L.Josefson研究了退火后碳锰钢多层焊管的应力分布[7]。结果表明，管内壁局部退火后的残余拉应力分布与炉内均匀退火后的残余拉应力分布不同。法国的J.B.lebland研究了钢在相变过程中的塑性行为[8]，开发了焊接软件SYSWELD，同时该软件也可用于热处理模拟。T.Inoue研究了温度、热应力和相变随温度变化的耦合效应[9]。在此基础上，提出了考虑三种耦合效应的本构方程。奥地利的H.Cerjac教授对计算机辅助焊接性进行了研究[10]；日本的A.Matsunawa教授对焊接熔池进行了研究，M.Ushio教授对电弧物理特性进行了研究和分析[11]。Bachorski等人提出了基于收缩体积法的焊接变形有限元预测理论。主要目的是预测焊接变形。将复杂的非线性和弹塑性变形转化为弹性变形，可以准确预测大型复杂焊接结构的变形。国内在20世纪80年代才开始焊接数值模拟方面的研究工作，上海交通大学汪建华等人采用三维固有应变有限元方法分析大型筒体结构环缝对焊接的焊接变形的影响[12]。上海交通大学和西安交通大学较早的开展焊接传热和热弹塑性应力分析。清华大学的蔡志鹏等人在焊接结构应力变形的预测与控制方面进行了广泛的研究[13]。内蒙古工业大学的董俊惠等[14]通过模拟计算和实验，验证了相变对10CrMo910耐热钢管道焊接残余应力的影响，计算中采用考虑相变和不考虑相变两种计算方式作为对比。唐幕尧等于1981年采用有限元法对薄板的焊接准稳态温度场进行了线性计算，计算值与实验值相吻合。天津大学的王文先教授[15]研究了相变温度对焊接接头疲劳强度的影响，利用5种相变温度不同的焊条分别对具有较大拘束度和应力集中的纵向角接头进行焊接，疲劳试验结果证明：焊缝金属相变温度在191℃左右时，焊接接头疲劳强度最高。我国在这方面的研究起步较晚，虽然也取得了一些成果，但是与较早开始研究的国家相比还存在一定的距离。1.2.2相变模型在焊接仿真中的应用Chin-HyungLee、Kyong-Hochang对高强度钢管进行了数值模拟[16]。并与实验数据进行了比较。结果表明，焊接过程中，焊缝及近焊缝区的轴向残余应力为内表面的拉应力和外表面的压应力，这是由于近焊缝区的收缩引起的。相变对轴向残余应力的影响不显著。但对周向残余应力有较大影响。当考虑相变时，最大拉应力值出现在靠近母材的热影响区，而在焊接区和靠近焊接区，残余应力峰值较未考虑相变时明显降低，因为体积膨胀发生在转变过程中，一些拉应力被中和。结果表明，相变对轴向残余应力影响不大，对周向残余应力影响较大。B.Taljat、B.Radhakrishnan、T.zacharia研究了点焊过程中相变对HY-100钢焊接残余应力的影响[17]。研究中分别考虑了相变过程中体积膨胀和屈服应力变化对最终焊接残余应力的影响。结果表明，体积膨胀对最终残余应力有很大影响，相变过程中的体积膨胀在很大程度上抵消了焊接区和热影响区的拉伸残余应力。但不同屈服应力模型对计算结果的影响并不明显。硬度测试结果表明，焊接区的硬度有了很大的提高，这主要是由于焊接冷却过程中奥氏体向马氏体的转变，所以焊接区的硬度值很高。Kyong-HoChanga、Chin-HyungLee比较了高强度钢焊接接头残余应力的模拟计算和试验验证[18]。结果表明，快速冷却过程中奥氏体-马氏体转变时的体积膨胀对热影响区的焊接残余应力释放有很大影响。H、Dai、J.A.Fractis和P.J.withers以SA508钢为模拟材料，通过模拟计算和实验验证了相变对焊接残余应力的影响[19]。结果表明，在忽略相变的情况下，模拟结果与实验结果有一定的差异，考虑相变的计算结果更接近实验结果。考虑相变时考虑了两种情况：一是考虑体积膨胀和相变时屈服应力的变化对残余应力的影响；二是考虑体积膨胀和相变塑性对残余应力的影响。结果表明，实验结果处于第一种情况和第二种情况的中间，与任何计算结果都不太吻合，角变形实验结果与第二种情况的计算结果比较接近。H.DAI、A.F.MARK、R.MOAT、A.A.SHIRZADI、H.K.D.H.BHADESHIA、L.KARLSSON和P.J.WITHERS用金属惰性气体保护焊，焊接了12mm厚的304L不锈钢[20]。焊接过程中使用了两种不同的焊接材料，一种是含有马氏体形成元素的焊接材料，另一种材料焊接时不发生相变。结果表明，形成马氏体的焊接材料比不发生相变的焊接材料在焊缝区和热影响区的残余应力小。天津大学的王文先教授研究了相变温度对焊接接头疲劳强度的影响[15]。采用五种不同焊接金属相变温度的焊条，对高约束、高应力集中的纵向角焊缝进行了焊接。疲劳试验表明，当焊缝金属相变温度为191℃左右时，接头的疲劳强度最高。内蒙古工业大学董俊惠等进行了模拟计算和实验，验证了相变对10CrMo910耐热钢管焊接残余应力的影响[14]。对比了两种计算方法：考虑相变和不考虑相变。计算结果表明考虑相变时，外表面的轴向压应力增大，内表面的拉应力增大，拉应力最大值在裂纹附近。这表明，相变对管接头的焊缝及近焊缝区焊接残余应力有很大的影响。邓德安教授采用平对接模型，计算和测试了相变对低碳钢和中碳钢焊接残余应力和变形的影响[21]。综上所述，国内在焊接固态相变方面的研究起步较晚，所以这方面的研究较少，但也存在一些优质的成果值得认真学习。随着焊接技术的不断发展，相变对残余应力的影响的研究也越来越热门。1.3本课题对环境和经济的影响伴随着工业的发展，金属腐蚀带来的经济损失和环境污染越来越大，甚至超过了自然灾害，其中以钢铁腐蚀最为严重。焊接结构在钢铁构件中大量应用，在焊接部位存在静拉应力时，其在腐蚀条件下发生应力腐蚀的速度远高于其他部位，常常因为焊接部位的腐蚀破坏导致整个构件报废，甚至发生安全事故，造成严重的经济损失。前苏联统计天然气管道腐蚀事故累计造成800余人死亡。1988年英国阿尔法平台发生爆炸，造成166人死亡，北海油田年减产12%，检查事故起因为腐蚀破坏[22]。1971年5月，威一成管道因应力腐蚀引起大爆炸，事故造成24人死亡，带来7000万元经济损失。表1-1列举了部分应力腐蚀在腐蚀破坏事故中的占比。表1-1应力腐蚀在腐蚀破坏事故中的占比调查单位年限占比%美国原子能电站1018.7日本石油化工公司1042.2美国杜邦化学公司323日本三菱化工机械公司1045.6日本国内综合调查1035.3如表1-1所示，应力腐蚀在腐蚀事故中占比很大。焊接过程不可避免的会产生残余应力，残余应力的存在会对焊接结构的强度、刚度、稳定性、外形、耐腐蚀性等产生负面效果，降低焊接结构的工作载荷，缩短工作寿命。对于体积不大的焊接结构，可以采用焊接后热处理的方法消除一部分焊接残余应力，但对于体积大的焊接结构，难以实现焊后热处理。本课题研究了固态相变对焊接变形及残余应力的影响，合理的利用这种影响可以替代焊后热处理过程，达到消除焊后残余应力的效果，这对于难以实现焊后热处理的焊接结构有重要意义。可以改善应力腐蚀，减少应力腐蚀带来的环境污染，提高焊接结构的使用寿命。在实际生产中，可以减少设备维护和更换费用，降低应力腐蚀破坏带来的环境污染，如原油泄漏、可燃气泄露爆炸、化工原料泄露污染等。对于保护环境，减少经济损失有重大意义。第二章ABAQUSPython焊接数值模拟二次开发随着计算机计算能力的提升，有限单元法获得飞速发展。由于人类思维的局限性，无法概括宇宙万物的运转。人们把复杂的系统划分为有限个人类已知的单元，把这些单元组合为原始系统，就可以利用有限个未知量去逼近无限个未知量的原始系统。越来越多的设计利用了有限元分析，使设计越加安全、稳定、高效、简洁。一般情况下利用Abaqus的GUI进行焊接热分析、应力、应变分析，但是在实现分析的过程中会有很多重复性操作，利用鼠标键盘在图形界面上完成这些操作会花费大量时间，所以需要寻求其它的方法实现前处理过程。Abaqus的开发工程师选择Python语言为“官方”的接口语言，Python语言的学习过程比较平坦，有众多优秀的第三方库，这些特性使Python日益流行。利用Python脚本实现前处理过程，这样可以提高使用者的工作效率，满足日益复杂的有限元分析需求。2.1焊接过程的有限元分析焊接过程涉及传热学、冶金学、流体力学、电磁学等，是十分复杂的过程[23]，在焊接技术发展的早期，很难对焊接过程进行定量的描述。随着计算机技术、数值模拟技术的发展，利用有限元软件可以模拟焊接过程的温度场、应力及变形、显微组织状态。焊接结构的性能和质量分析主要考虑以下方面。热力学热力学温度场力学应力与变形场金相学显微组织状态热应力热变形由热应力引起的相变相变应力显微组织转变相变潜热图1-1如图1-1所示，焊接数值模拟涉及焊接温度场、焊接应力与变形场及显微组织与状态场。对于焊接温度场模拟，需要注意焊件与环境的热传递方式，热传递的方式不外乎是热传导、热辐射、热对流三种。热量在空气中的传导速度较慢，所以进行焊接模拟时主要考虑热辐射及热对流。焊接应力及焊接变形的模拟是在焊接温度场的基础上计算的，计算时需要考虑焊缝区域组织转变对焊接变形及残余应力的影响。对于影响较弱的因素，在模拟中选择忽略。2.2Abaqus软件环境结构在用Python进行二次开发前，先了解一下Abaqus软件环境结构，如图1-2所示。图1-2Abaqus软件环境如图1-2所示，Abaqus软件分为两大部分，前后处理部分和求解器。GUI负责收集用户建模数据，提交给kernel生成INP文件。除此之外还可以利用命令行接口或Python脚本快速生成INP文件。INP文件记录着模型、载荷、网格划分、边界条件、分析类型等信息，AbaqusPython二次开发的目的在于快速生成INP文件，或者对已有的odb文件提取所需数据。Abauqs/standard等求解器是用Fortran语言实现的，可以实现大多数的需求，对于一些复杂特殊的问题，Abaqus提供了扩展的接口，如用来描述加载方式的DFLUX子程序，用于描述膨胀率的UEXPAN子程序，这些需要使用Fortran实现。2.3Python脚本实现焊接温度场模拟Python可以快速实现Abaqus/CAE的前处理和后处理过程，在CAE中的操作会记录在rpy文件中，可以通过查阅rpy文件学习Abaqus/Python二次开发。对于几何模型的操作，如划分网格在CAE中完成比较高效；对于重复设定参数，利用Python完成比较高效。利用Python实现平板对焊的焊接温度场的模拟，代码及分析见附录（焊接温度场分析源码及分析），附录中的Python代码完成了整个前处理过程，将代码输入到内核命令行接口（kernelcommandlineinterface），点击submit提交分析，可视化结果如下。(a)3s (b)6s (c)9s (d)12.5s (e)冷却3s (f)冷却600s图2-1不同时刻应力分布云图图2-1显示了3s、6s、9s、12.5s、冷却3s、冷却600s时刻的温度云图，随着热源移动，焊件上温度场在动态变化，随着焊接的进行，焊件的温度逐渐升高，温度场形状细长。在冷却600s后，焊件上的温度差异较小，靠近焊缝区域的温度较高。2.4Python脚本实现焊接应力、应变模拟在上个实验获取了平板对焊温度场的数据信息，保存在odb文件中。现在需要对材料添加力学属性，模拟在上个实验温度下材料的应力和应变。代码及分析见附录（焊接应力、应变模拟源码及分析），附录中的Python代码完成了整个前处理过程，将代码输入到内核命令行接口（kernelcommandlineinterface），点击submit提交分析，变形自动放大后的可视化结果如下。 (a)3Ss (b)6s (c)9s (d)12s (e)冷却13s (f)冷却600s图2-2不同时刻应力分布云图如图2-2所示，随着焊接进行，焊缝区域经历高温热循环，形成残余应力，焊接完成后，焊缝区域应力较大，边角约束处也存在较大应力。2.5利用DFLUX子程序实现焊接移动热源在利用Abaqus模拟焊接过程时，需要描述热源模型，目前常用的热源模型有两种，Gauss模型和Goldak模型。如果热量是从金属表面输入的，则可以采用Gauss模型。如果需要考虑热源深度的变化，则可以采用Goldak模型，即双椭球模型。Abaqus提供了Dflux子程序接口，其将积分点信息和迭代步信息传入子程序，用户根据时间、空间变化自定义热源。代码如下：C

双椭球热源子程序

SUBROUTINE

DFLUX(FLUX,SOL,JSTEP,JINC,TIME,NOEL,NPT,COORDS,JLTYP,

\

TEMP,PRESS,SNAME)

INCLUDE

'ABA_PARAM.INC'C

TIME：分析步总时间s

DIMENSION

COORDS(3),FLUX(2),TIME(2)

CHARACTER*80

SNAMEC

v:热源移动速度mm/s

v=8C

q:热源功率mJ/s

q=3000000

d=v*TIME(2)q为热源功率，这里设置为3000J/s，热源移动速度设置为8mm/s。C

热源当前坐标mm

x=COORDS(1)

y=COORDS(2)

z=COORDS(3)C

初始热源中心mm

x0=0

y0=6

z0=0x，y，z为热源移动到的位置，x0，y0，z0为热源中心的位置。C

热源形状参数mm

a=4.8

b=5.2

c=4.9

PI=3.1415926

heat=6*sqrt(3.0)*q/(a*b*c*PI*sqrt(PI))

heat=6*sqrt(3.0)*q/(a*b*c*PI*sqrt(PI))

shape=exp(-3*(x-x0)**2/a**2-3*(y-y0)**2/b**2-3*(z-z0-d)**2/c**2)定义双椭球热源的现状参数。C

JLTYP＝1，表示为体热源

JLTYP=1

IF

(KSTEP.eq.one)

THEN

FLUX(1)=heat*shape

ENDIF

RETURN

END指定热源类型，体热源或面热源，这里为体热源。热源温度云图如下：(a)热源俯视图(b)热源横截面(c)热源纵截面图2-3如图2-3所示，温度云图上等温线大致呈现为椭圆形，在热源前方等温线密集，温度梯度大，在热源后方等温线稀疏，温度梯度小。2.6本章小结本章介绍了Abaqus软件的环境结构，利用Python脚本实现了焊接温度场、焊接应力场、焊接变形模拟的全部前处理过程，利用DFLUX子程序实现了焊接移动热源。模拟结果符合实际。这些都是AbaqusPython二次开发的实例，也是研究焊接固态相变的基础。第三章焊接固态相变在高能量密度的热源下，焊丝与母材融化形成熔池，随着热源的移动，熔池逐渐冷却结晶形成接头。焊接接头的不同位置经历了不同的热循环，在热循环的作用下发生相变和组织性能变化。相变过程对残余应力的影响主要有三方面，首先是体积的变化，其次是屈服强度的变化，最后是塑性的变化。在本文中仅考虑相变过程体积的变化，模拟焊接过程中固态相变对焊接变形和残余应力的影响。3.1熔池冷却过程中的固态相变随着冷却的进行，焊缝金属发生组织转变，转变包括铁素体转变、珠光体转变、贝氏体转变、马氏体转变。焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数等影响着焊缝区的组织转变。组织转变与温度的关系如图3-1所示。高温高温冷却速度变化不同温度区间铁素体珠光体贝氏体马氏体PF(先共析铁素体)FSP(侧板铁素体)AF(针状铁素体)FGF(细晶铁素体)层状珠光体粒状珠光体细珠光体上贝氏体下贝氏体M-A组元板条M片状M图3-1对于26NiCrMoV10-10中碳钢在焊接加热和冷却过程中，主要的相变为马氏体相变，此论文也仅仅考虑马氏体相变对残余应力及应变的影响。如图3-2所示，在加热过程中，温度升高，金属体积不断膨胀，当温度达到A1时，初始相开始转变为奥氏体，奥氏体的体积比小于马氏体，所以体积收缩。当温度达到A3时，马氏体全部转变为奥氏体，温度升高后体积膨胀。在冷却过程中，根据焊接的最高温度，分为三种情况，情况一当最高温度高于A3，开始冷却时材料中马氏体全部转化为了奥氏体。情况二当最高温度高于A1小于A3，开始冷却时材料中马氏体部分转变为奥氏体。情况三当最高温度低于A1，开始冷却时材料中没有马氏体转变为奥氏体。马氏体转变率可以用Koistien—Marburger方程表示：ƒM=1-exp(-b*(Ms-T)) (3-1)式中ƒM表示马氏体的百分含量，T表示当前温度，Ms表示马氏体转变开始温度，b为经验值，对于26NiCrMoV10-10钢为0.045。材料的膨胀率EM可以表示为：EM=ƒMαM+(1-ƒM)αγ+ΔƒΔε (3-2)αM为全马氏体结构线膨胀系数，值为1.2e-5，αγ为全奥氏体结构线膨胀系数，值为2e-5，Δƒ为马氏体转化率增量，在abaqus中体现为子步结束时的马氏体含量减去子步开始时的马氏体含量，Δε的值为0.011。3.2相变过程的体积变化焊接过程中发生相变时，不同相的体积比不同，材料的体积将会发生变化，对于26NiCrMoV10-10钢，降温过程中，奥氏体转变为马氏体，其体积比将由0.123-0.125增加到0.127-0.131，材料体积增大。反之，在升温过程中发生相变时，其体积会减小。相变时体积示意图如下：图3-2由上图可知，温度升高，体积膨胀，在温度达到A1后，材料中的马氏体开始转化为奥氏体，相的体积比降低，体积收缩，A1~A3期间为奥氏体马氏体混合状态，当温度达到A3后，马氏体全部转化为奥氏体，升温后体积继续膨胀。然后温度降低，体积收缩，当温度降低到Ms后，材料中的奥氏体转化为马氏体，马氏体的体积比大于奥氏体，材料膨胀，Mf~Ms期间为马氏体奥氏体混合。温度继续降低到Mf后，奥氏体全部转化为马氏体，温度降低，体积收缩。对于26NiCrMoV10-10钢，A1=720，A3=805，Ms=305，Mf=105。3.3利用UEXPAN子程序描述膨胀率利用Abaqus提供的UEXPAN子程序，UEXPAN子程序接口提供了积分点信息和迭代信息，利用Fortran自定义随时间、温度等变化的膨胀率。代码如下：c

uexpan子程序c

expan

：膨胀率c

dexpandt

：膨胀率增量c

temp

：温度c

time

：时间c

dtime

：时间增量

subroutine

uexpan(expan,dexpandt,temp,time,dtime,predef,dpred,

/statev,cmname,nstatv,noel)子程序接口，expan表示膨胀率，dexpandt表示膨胀率增量，temp表示温度，time表示时间，dtime表示时间增量。c

包含abaqus信息

include

'aba_param.inc'包含abaqus信息c

声明长度为80的字符型数组

character*80

cmnamec

声明单精度浮点型数组

dimension

expan(*),dexpandt(*),temp(2),time(2),predef(*),dpred(*),

/statev(nstatv)声明数据类型c

提取过程最高温度，并存入变量statev(1)

t

=

temp(1)

dt

=

temp(2)c

下一步温度

a

=

t

+

dt

b

=

statev(1)

if(a.gt.b)

then

statev(1)

=

a

else

statev(1)

=

b

endif

c

过程最高温度

d

=

statev(1)

提取整个焊接过程中的最高温度，将其存在statev（1）变量中，用变量d表示最高温度。c

升温过程

if(dt.ge.0)thenc

当前温度＜720，全部为马氏体，为马氏体膨胀

if(t.le.720)then

expan(1)

=

1.2e-5*dt

c

720＜当前温度＜805，发生奥氏体相变，为马氏体奥氏体线性混合膨胀

else

if(t.gt.720.and.t.lt.805)then

a0

=

(t-720)/85

expan(1)

=

(1.2e-5*(1-a0)+2e-5*a0)*dtc

当前温度＞805，全部为奥氏体，为奥氏体膨胀

else

if(t.ge.805)then

expan(1)

=

2e-5*dt

endif

温度低于720度时，全部为马氏体，温度升高，发生马氏体膨胀，膨胀率与温度增量正相关，可以表示为expan(1)=1.2-5*dt；温度在720~805度之间时，马氏体部分转化为奥氏体，为马氏体奥氏体线性混合状态，奥氏体含量与温度线性相关，可以表示为a0=(t-720)/85，其膨胀率可以表示为expan(1)

=

(1.2e-5*(1-a0)+2e-5*a0)*dt；温度大于805时，全部转化为奥氏体，膨胀率与温度增量正相关，可以表示为expan(1)

=

2e-5*dt

。c

冷却过程

else

if(dt.lt.0)thenc

1、过程最高温度≥805，全为奥氏体

if(d.ge.805)then

c

当前温度≥305，不发生相变，为奥氏体收缩

if(t.ge.305)then

expan(1)

=

2e-5*dtc

105＜当前温度＜305，发生马氏体相变，为马氏体奥氏体混合收缩，马氏体含量遵循K-M方程

else

if(t.lt.305.and.t.gt.105)then

c

该步开始时马氏体含量

a0

=

1-exp(-0.045*(305-t))

c

该步结束时马氏体含量

a1

=

1-exp(-0.045*(305-t-dt))

expan(1)

=

(1.2e-5*a0+2e-5*(1-a0))*dt+0.011*(a1-a0)

c

当前温度＜105，全部为马氏体，为马氏体收缩

else

expan(1)

=

1.2e-5*dt

endif

冷却过程可分三种情景，以上为情景1，当结点最高温度高于805度时，全部为奥氏体，冷却时膨胀率可以表示为expan(1)

=

2e-5*dt；继续冷却，当温度在305~105度时，奥氏体部分转变为马氏体，为马氏体奥氏体混合组织，该步开始时奥氏体含量可表示为a0

=

1-exp(-0.011*(305-t))

，结束时奥氏体含量可表示为a1

=

1-exp(-0.011*(305-t-dt))

，膨胀系数可表示为expan(1)

=

(1.2e-5*a0+2e-5*(1-a0))*dt+0.00375*(a1-a0)

；继续冷却，当温度低于105度，奥氏体全部转化为马氏体，膨胀系数表示为expan(1)

=

1.2e-5*dt

。c

2、720＜过程最高温度＜805，为马氏体奥氏体混合

else

if(d.gt.720.and.d.lt.805)thenc

a3为奥氏体含量

a3

=

(d-720)/85

c

子步开始前马氏体含量

a0

=

1-a3+a3*(1-exp(-0.045*(305-t)))

c

子步结束时马氏体含量

a1

=

1-a3+a3*(1-exp(-0.045*(305-t-dt)))

c

当前温度≥305，不发生相变，为马氏体奥氏体混合收缩

if(t.ge.305)then

expan(1)

=

(1.2e-5*(1-a3)+2e-5*a3)*dtc

当前温度＜305，发生马氏体相变，为马氏体奥氏体混合收缩，马氏体含量遵循K-M方程

else

if(t.lt.305.and.t.gt.105)then

expan(1)

=

(1.2e-5*a0+2e-5*(1-a0))*dt+0.011*(a1-a0)c

当前温度＜105，全部为马氏体，为马氏体收缩

else

expan(1)

=

1.2e-5*dt

endif以上为情景2，开始冷却时为马氏体奥氏体混合状态。c

3、过程最高温度＜720，全为马氏体

else

if(d.le.720)thenc

当前温度＜720，不发生相变，为马氏体收缩

expan(1)

=

1.2e-5*dt

endif

endif

return

end

以上为情景3，最高温度达不到奥氏体相变温度，焊接过程中没有生成奥氏体，在冷却时全部为马氏体，不发生相变。3.4本章小结焊接冷却过程中发生固态相变，其对焊接应力的影响主要体现在三方面，分别为体积膨胀、屈服强度变化及相变塑性，其中体积膨胀的影响最大。本章分析了固态相变引起的体积变化，并利用UEXPAN子程序描述了这种变化。第四章26NiCrMoV10-10钢焊接数值模拟26NiCrMoV10-10材料的平均C含量为2.6%，平均Ni含量为2.5%，平均Cr含量为2.5%，属于低合金结构钢。以26NiCrMoV10-10钢为母材，模拟固态相变对焊接变形和残余应力的影响。设立对比实验，实验一为不考虑固态相变的实验，实验二为考虑固态相变的实验，每组实验提取的数据见表4-1。表4-1实验分组实验数据实验一（不考虑固态相变）温度T、残余应力S、变形U实验二（考虑固态相变）温度T、残余应力S、变形U对比两组实验结果，可以分析焊接冷却过程中熔池相变过程对焊接残余应力和焊接变形的影响。4.1焊接温度场结果分析两组实验采用相同的材料（26NiCrMoV10-10中碳钢），相同的热源参数等，所以焊接温度场相同。板材形状见下图，采用Goldak双椭球模型热源，焊缝中心区域采用细网格，较远区域采用粗网格，可得到精确高效的实验结果。网格划分见图4-1。图4-1网格划分焊接过程温度场云图见图4-2。 (a)3s (b)6s (c)9s (d)12s (e)冷却5s (f)冷却600s图4-2不同时刻温度分布样点位置及样点温度曲线如下图： (a)样点位置 (b)样点温度曲线图4-3样点位置及温度曲线由图4-3可见，越靠近焊缝中心温度越高，离焊缝中心越远温度越低。熔合区、热影响区、母材样点位置及样点的焊接热循环曲线如图4-4： (a)样点位置 (b)样点温度曲线图4-4样点位置及温度曲线焊接过程中，母材上的任意区域都经历了由低到高的升温过程，温度达到最高值后，又经历了由高到低的降温过程，母材上不同位置的点其经历的热循环是不同的。如图4-4，三点分别在焊缝区、热影响区、母材，焊接热量集中在焊缝区域，焊缝区的样点升温快、温度高、冷却速度快、高温停留时间短。热影响区和母材的样点由于远离焊缝中心，所以升温缓慢，温度变化平缓，最高温度低，冷却速度也很慢。焊接热循环曲线对于了解焊接相变过程、应力变形、接头组织具有重要意义。4.2焊接应力场结果分析在焊接加热和冷却过程中，由于热源的局限性，材料的加热和冷却不均匀，使材料产生了不均匀的膨胀和收缩，导致焊接完成后，板材存在残余应力。除此之外，加热和冷却过程中，材料中存在相变，相变引起材料体积的变化也会影响残余应力。在此借助模拟结果，分析相变过程对焊接残余应力的影响。焊接过程应力场云图如下：(a)3s (b)6s (c)9s (d)12s (e)冷却8s (f)冷却600s图4-5不同时刻应力场分布样点位置及样点纵向残余应力如下图： (a)样点位置 (b)样点纵向残余应力图4-6纵向残余应力在横向上的分布焊件中央区域焊接完成时的纵向应力如图4-6所示，S33表示Z轴即沿焊缝方向的残余应力。 (a)样点位置 (b)样点纵向残余应力图4-7纵向残余应力在纵向上的分布如图4-7所示，沿焊缝方向不同位置的纵向残余应力不同，在焊缝中间区域应力较平稳，纵向残余应力为拉应力，在两端拉应力减小，当焊缝较短时，没有中间稳定区域。横向残余应力见图4-8。 (a)样点位置 (b)样点横向残余应力图4-8横向残余应力在纵向上的分布如图4-8所示，板件中央受拉，两侧受压。4.3焊接变形结果分析焊接过程中工件受到不均匀的温度场，产生形状和尺寸的变化。即为焊接变形。焊接过程焊接变形（x、y、z方向矢量和）见图4-9。 (a)3s (b)6s (c)9s (d)12s (e)冷却8s (f)冷却600s图4-9不同时刻变形场云图板材中间位置 y轴方向变形(a)样点位置 (b)样点Y轴方向变形图4-10样点上的变形量（Y轴方向）如图4-10所示，焊接完成后，板材两端会向上翘曲。4.4固态相变对焊接残余应力的影响4.4.1固态相变对横向残余应力的影响奥氏体-马氏体转变过程中体积会变化，体积变化会影响焊接后的残余应力，横向残余应力在纵向上的分布如图4-12所示。(a)样点位置 (b)不考虑固态相变 (c)考虑固态相变图4-11横向残余应力在纵向上的分布图4-11(a)为样点的位置，图4-11(b)为不考虑固态相变的横向残余应力，图4-12(c)为考虑固态相变的横向残余应力，右图中曲线变化较平缓，冷却过程中奥氏体转化为马氏体，马氏体体积比大于奥氏体，会抵消焊接时的拉应力，所以右图残余应力比左图小。4.4.2固态相变对纵向残余应力的影响纵向残余应力在横向上的分布如下：(a)样点位置 (b)不考虑固态相变 (c)考虑固态相变图4-12纵向残余应力在横向上的分布如图4-12所示，两条曲线十分趋近，所以固态相变对横向上的纵向残余应力影响不大。纵向残余应力在纵向上的分布如下：(a)样点位置 (b)不考虑固态相变 (c)考虑固态相变图4-13纵向残余应力在纵向上的分布如图4-13所示，两图在焊接起始部分存在较大差异，考虑固态相变后，焊缝起始部分的纵向残余应力会变小。固态相变对中间区域和末端区域的影响不大。猜测可能时由于起始区域升温快造成的。4.5固态相变对焊接变形的影响(a)样点位置 (b)不考虑固态相变 (c)考虑固态相变图4-14样点位置及其变形量图4-14表示横向上Y轴方向上的变形量，左图为不考虑固态相变的情况，右图为考虑固态相变的情况，观察发现考虑固态相变后变形变小，因为固态相变时的体积变化使焊接残余应力减小，焊接变形也就减小。(a)样点位置 (b)不考虑固态相变 (c)考虑固态相变图4-15样点位置及其变形量图4-15表示样点上不同时刻的变形量，左图为不考虑固态相变的情况，右图为考虑固态相变的情况，观察发现考虑固态相变后在冷却阶段变形量减小。4.6本章小结利用Abaqus有限元软件，在相同的焊接参数、热源模型、有限元模型、力学边界下，模拟了考虑固态相变情况下26NiCrMoV10-10中碳钢的焊接变形及焊后残余应力，与不考虑固态相变情况下的焊接变形和残余应力进行比较。两种分析结果有较大差异，这是因为考虑固态相变的情况下，焊接加热时，会发生马氏体-奥氏体转变。在冷却过程中，温度达到奥氏体-马氏体相变温度时，发生奥氏体-马氏体转变，马氏体体积变大于奥氏体会产生体积膨胀效应，在冷却收缩时膨胀效应会降低拉伸残余应力的大小。第五章结论和展望5.1结论焊接过程中的热循环直接影响着固态相变，固态相变直接影响着焊接残余应力和焊接变形，相变过程对焊接的影响有体积膨胀、屈服强度变化、相变塑性三方面，其中体积膨胀对焊接残余应力的影响最大。本文重点探究了固态相变引起的体积膨胀对焊接残余应力和焊接变形的影响。基于Abaqus进行模拟得到以下结论：(1)26NiCrMoV10-10钢焊接冷却过程中发生奥氏体-马氏体相变，相变对焊接残余应力有较大影响。(2)考虑固态相变后，焊缝起始部分的纵向残余应力会变小。考虑固态相变后的实验结果更切合实际。(3)固态相变对焊接变形及焊接残余应力的影响主要体现在焊接冷却过程中。冷却过程中奥氏体转变为马氏体，相变引起的体积膨胀抵消了部分拉应力，最终拉应力会较小或形成压缩应力。本文焊接数值模拟的结果，对研究焊接过程中固态相变对焊接变形及残余应力的影响提供了文本数据和可视化数据，为如何利用固态相变提高焊接构件质量打下了理论基础。5.2展望随着计算机技术的高速发展，在此提出三点焊接技术未来的展望。(1)机器视觉在焊接缺陷分析上的应用。机器视觉是人工智能的一个分支，目前在无人驾驶、工业机器人上得到了广泛的应用，未来在焊接缺陷分析上也有很大的用处。机器视觉系统是将视觉信息转化矩阵数据，将矩阵数据进行卷积运算提取出特征，然后进行池化运算将信息简化，最后进行全连接运算对特征进行分类得出运行结果。将之运用在焊接缺陷分析上，计算机获取焊接图像，对图像进行卷积运算（卷积层相当于过滤器，过滤出飞溅、裂纹、气孔、夹渣等特征），然后进行池化运算（将很大数据用较小的数据表示），然后进行全连接运算（全连接层相当于分类器，将各种特征分类出来）得出结果。根据结果可知道焊接图像中存在哪些焊接缺陷，机器视觉的应用可提高焊接质量及生产效率。(2)焊接生产中会有更多用户定制的应用程序。比如工厂生产的同一种焊接零件，为了加工出高质量的零件需要确定合适的焊接工艺（如热源移动速度、热源功率、预热温度等），需要利用Abaqus软件调整不同参数进行模拟，根据计算结果制定焊接工艺。如果调整一次参数重建一次工程，那会带来巨大的工作量，为此可以利用Python、C++等编程语言完成一个焊接分析助手软件，不同的计算只需要在助手软件上设定不同的参数即可。 (3)焊接智能化程度不断提高。微控制器已在焊接生产线中大量应用，微控制器及其外围设备实现了焊接过程的自动化。随着计算机技术的发展，微处理器的可靠性、稳定性、抗干扰能力得到提升，计算能力更强的微处理器开始在焊接生产线中应用，借助处理器强大的数据处理能力可以实现更加智能的实时控制。更加智能的焊接方式可以进一步增加产量、提高质量、降低成本和劳动强度。第六章项目管理和技术经济分析课题利用Abaqus有限元分析软件完成，通过查阅文献了解了国内外研究现状。翻阅书籍掌握了AbaqusPython二次开发的能力，尝试用Python实现了焊接温度场分析，利用Fortran描述热源和膨胀率，循序渐进实现了考虑固态相变的焊接变形和应力模拟。对结果进行对比分析，得知了固态相变对焊接变形和残余应力存在哪些影响。在有限资源条件下实现了预期效果。和实际实验相比，利用有限元分析软件可以降低成本，缩短设计和分析周期，可以在生产制造前发现潜在的问题，减少出错。致谢回首求学路，感谢一路上良师益友的陪伴，在论文即将完成之际，我要向给予我帮助的人说一声谢谢！本文是在王开云老师的指导下完成的，在选题、实验方法、论文撰写等方面给予了我悉心的指导。在学问上，王老师学识渊博、精益求精，在生活中王老师平易近人、友善可亲。大学四年来，无论是学习中还是生活中，王老师都给了我莫大的帮助。在此向王老师表示最诚挚的感谢！感谢毕业季给予我无私帮助的各位老师和同学。最后向在百忙之中审阅我的论文的各位专家和评委表示感谢！参考文献[1]张彦杰.坡口形式对SUS304奥氏体不锈钢对接接头残余应力和变形的影响[D].重庆大学,2015.[2]杨小坡.固态相变对马氏体不锈钢焊接残余应力影响的有限元分析[D].重庆大学,2012.[3]魏荣奇.关于不锈钢焊接与应力腐蚀破坏的分析[J].科技创业家,2013(16):65.[4]UedaY,YamakawaT.AnalysisofThermalElastic-PlasticStressandStrainduringWelding[J],Trans.JapanWeldingSoc,1971,2(2).[5]GoldakJ.Thermalstressanalysisofwelds:frommeltingpointtoroomtemperature[C].TheoreticalPredictioninJoiningandWelding,Osaka,Japan,1996:225-230.[6]L.Karlsson,etal.ThermalStressesinwelding[M].inR.Hetnarski(ed.).ThermalStressesI，North-Holland,Amsterdam,Chapter5,1986:299-389.[7]JosefsonBL.StressRedistributionDuringLocalAnnealingofaMulti-PassButt-WeldedPipe[J].JournalofPressureVesselTechnology,1986,108(2).[8]LeblondJB.ATheoreticalandNumericalApproachtothePlasticBehaviourofsteelsDuringPhaseTransformation[J],J.Mech.Phys.Solids,1986,34(4):395-4.9.[9]T.Inoue.Metallo-Thermo-mechaniesApplicationtoPhaseTransformationIncorporatedProeesses[J].TheoreticalPredictioninJoiningandWelding，Osaka，Japan,1996,11:89-112.[10]CerjakH,BuchmayrB.ComputerBasedAssessmentofWeldability[J].TransactionsofJWRI,1996,25(2):p.145-160.[11]BachorskiA.,PainterM.J.,SmailesA.J.FiniteElementPredictionofDistortionDuringGasMetalArcWeldingUsingtheShrinkageVolumeApproach[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,1999,60(8):405-409.[12]汪建华，戚新海，钟小敏等.考虑相变的焊接动态和残余应力的研究[C].第六届全国焊接学术会议论文集第5册，1990:209-212.[13]蔡志鹏，鹿安理，赵海燕.串热源模型及1200t桥式起重机主梁腹板装焊过程的数值模拟[J].中国机械工程，2002，13(9):802-805.[14]董俊慧,林燕,林文光,etal.相变对管道环焊缝残余应力的影响[J].中国机械工程,2005,016(005):460-463.[15]王文先,霍立兴,张玉凤,等.相变温度对焊接接头疲劳强度的影响[J].焊接学报,2002,023(003):15-18.[16]LeeCH,ChangKH.Predictionofresidualstressesinhighstrengthcarbonsteelpipeweldconsideringsolid-statephasetransformationeffects[J].Computers&Structures,2011,89(1-2):256-265.[17]TaljatB,RadhakrishnanB,ZachariaT.NumericalanalysisofGTAweldingprocesswithemphasisonpost-solidificationphasetransformationeffectsonresidualstresses[J].MaterialsenceandEngineeringA,1998,246(1-2):45-54.[18]ChangKH,LeeCH.Residualstressesandfracturemechanicsanalysisofacrackinweldsofhighstrengthsteels[J].EngineeringFractureMechanics,2007,74(6):980-994.[19]DaiH,FrancisJA,WithersPJ.PredictionofresidualstressdistributionsforsingleweldbeadsdepositedontoSA508steelincludingphasetransformationeffects[J].MaterialsScience&Technology,2010,26(8):940-949.[20]Dai,H,Mark,A.F,Moat,R,等.Modellingofresidualstressminimizationthroughmartensitictransformationinstainlesssteelwelds[J].internationalseminaron'numericalanalysisofweldability',2010.[21]DengD.FemPredictionOfWeldingResidualStressAndDistortionInCarbonSteelConsideringPhaseTransformationEffects[J].Materials&design,2009,30(2):359-366.[22]高文宇.油井缓蚀剂研究与开发[D].大庆石油学院,2007.[23]周杰.焊接残余应力对构架疲劳强度的影响[D].西南交通大学,2010.附录焊接温度场分析源码及分析#包含模块from

abaqus

import

*from

abaqusConstants

import

*from

caeModules

import

*from

driverUtils

import

executeOnCaeStartup包含abaqus/CAE相关模块##1

建模##1.1

创建草图ss

=

mdb.models['Model-1'].ConstrainedSketch(name='s1',

sheetSize=200.0)s.Line(point1=(-100.0,

6.0),

point2=(100.0,

6.0))s.Line(point1=(100.0,

6.0),

point2=(100.0,

0.0))s.Line(point1=(100.0,

0.0),

point2=(-100.0,

0.0))s.Line(point1=(-100.0,

0.0),

point2=(-100.0,

6.0))#1.2

拉伸p

=

mdb.models['Model-1'].Part(name='steel_board',

dimensionality=THREE_D,

type=DEFORMABLE_BODY)p.BaseSolidExtrude(sketch=s,

depth=100.0)#1.3

裁焊缝#依据三点拆分p.PartitionCellByPlaneThreePoints(cells=p.cells,

point1=(-10,0,0),

point2=(-10,6,0),

point3=(-10,0,100))p.PartitionCellByPlaneThreePoints(cells=p.cells,

point1=(10,0,0),

point2=(10,6,0),

point3=(10,0,100))建模过程，母材长宽高为（200，100，6），热影响区宽度划分宽度为20mm。##2

设置属性##2.1

创建钢属性steelsteel=mdb.models['Model-1'].Material(name='steel')#密度steel.Density(table=((7.8e-09,

),

))#热导率steel.Conductivity(temperatureDependency=ON,

table=((35.0,

20.0),

(34.0,

100.0),

(32.0,

500.0),

(35.0,

1300.0),

(70.0,

1350.0),

(70.0,

2000.0)))#潜热steel.LatentHeat(table=((220000000.0,

1350.0,

1400.0),

))#比热steel.SpecificHeat(temperatureDependency=ON,

table=((460000000.0,

20.0),

(478000000.0,

50.0),

(500000000.0,

100.0)))#

2.2

建立截面属性mdb.models['Model-1'].HomogeneousSolidSection(name='Section-1',

material='steel',

thickness=None)#2.3

赋属性region

=

p.Set(cells=p.cells,

name='Set-1')p.SectionAssignment(region=region

,

sectionName='Section-1',

offset=0.0,

offsetType=MIDDLE_SURFACE,

offsetField='',

thicknessAssignment=FROM_SECTION)设置钢的密度、热导率、潜热、比热属性，将属性赋给部件。##3

装配##3.1

实例化部件a=mdb.models['Model-1'].rootAssemblypi=a.Instance(name='instance_part',part=p,dependent=ON)将部件实例化，实例化后才能进行接下来的操作。##4

分析步##4.1

创建焊接分析步mdb.models['Model-1'].HeatTransferStep(name='welding',

previous='Initial',

description='welding',

timePeriod=12.5,

maxNumInc=10000,

initialInc=0.05,

minInc=0.0005,

maxInc=5,

deltmx=60.0,

mxdem=0.1)#4.2

创建冷却分析步mdb.models['Model-1'].HeatTransferStep(name='cooling',

previous='welding',

description='cooling',

timePeriod=600.0,

maxNumInc=1000,

initialInc=0.01,

minInc=0.001,

maxInc=6,

deltmx=60,

mxdem=0.1)创建焊接分析步和冷却分析步，包含焊接时间、分析步最大步数、增量初始值、增量最大值、增量最小值、每步最大温度变化、每步最大变化率等信息。#4.3

创建场输出mdb.models['Model-1'].fieldOutputRequests['F-Output-1'].setValues(variables=('NT',

))设置结点温度场输出。##5

与环境交互##5.1

创建换热系数（包含热辐射及热对流）mdb.models['Model-1'].FilmConditionProp(name='IntProp-1',

temperatureDependency=ON,

dependencies=0,

property=((0.006,

20.0),

(0.01,

100.0),

(0.03,

300.0),

(0.3,

2000.0)))#5.2

选择装配图实例表面s

=

a.instances['instance_part'].facesfaces=s.getByBoundingBox(xMin=-100,xMax=100,yMin=6,yMax=6,zMin=0,zMax=100)region=a.Surface(side1Faces=faces,

name='Surf-1')#5.3

赋予换热系数mdb.models['Model-1'].FilmCondition(name='Int-1',

createStepName='welding',

surface=region,

definition=PROPERTY_REF,

interactionProperty='IntProp-1',

sinkTemperature=20.0,

sinkAmplitude='',

sinkDistributionType=UNIFORM,

sinkFieldName='')设定环境温度20℃，设定材料与环境的换热系数，包含热辐射及热对流，热传导相对较弱，这里不考虑。##6

加载##6.1

给焊缝区加载移动热源region

=

(a.instances['instance_part'].cells[2],)#region

=

a.Set(cells=c1,

name='welding_bead')mdb.models['Model-1'].BodyHeatFlux(name='welding_heat',

createStepName='welding',

region=region,

magnitude=1.0,

distributionType=USER_DEFINED)#冷却过程不能激活热源mdb.models['Model-1'].loads['welding_heat'].deactivate('cooling')#6.2

加载初始温度c1

=

a.instances['instance_part'].cellsregion

=

a.Set(cells=c1,

name='Set-1')mdb.models['Model-1'].Temperature(name='init_temp',

createStepName='Initial',

region=region,

distributionType=UNIFORM,

crossSectionDistribution=CONSTANT_THROUGH_THICKNESS,

magnitudes=(20.0,

))给焊接过程加载移动热源，热源利用DFLUX子程序进行实现。##7

划分网格##7.1

划分网格p.seedPart(size=3.0,

deviati