T/CWAN0063—XXXX

焊接數(shù)值模擬固有應(yīng)變法

1范圍

本文件規(guī)定了焊接數(shù)值模擬流程、一般要求、仿真建模規(guī)則、接頭固有變形的計(jì)算、仿真結(jié)果評(píng)估、

仿真分析報(bào)告構(gòu)成等內(nèi)容與規(guī)范。

本文件適用于基于固有應(yīng)變法的工程機(jī)械焊接結(jié)構(gòu)件熔化焊（氣保焊、激光焊等）的焊接變形預(yù)測。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，

僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于

本文件。

GB/T31054機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助工程有限元數(shù)值計(jì)算術(shù)語

GB/T33582機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則

ISO/TS18166焊接數(shù)值模擬執(zhí)行和文檔(Numericalweldingsimulation—Executionand

documentation)

ISO/TR25901（所有部分）焊接及相關(guān)工藝詞匯（Weldingandalliedprocesses—Vocabulary）

T/CWANXXXX—2023焊接數(shù)值模擬熱彈塑性有限元方法

3術(shù)語和定義

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

術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

固有應(yīng)變inherentstrain

經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后，焊縫及其附近產(chǎn)生的永久應(yīng)變。

3.2

固有變形inherentdeformation

固有應(yīng)變在焊縫橫截面上的積分結(jié)果。

3.3

固有應(yīng)變法inherentstrainmethod

一種焊接變形數(shù)值模擬方法，其原理是將焊縫及其附近的固有應(yīng)變作為初始值進(jìn)行一次彈性分析，

從而得到焊接結(jié)構(gòu)的整體變形。

1

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4基本流程

固有應(yīng)變法焊接數(shù)值模擬的基本流程主要包括有限元模型建立、模型求解、結(jié)果評(píng)估、仿真方案

制定實(shí)施及報(bào)告編寫，具體參見附錄A。

5一般要求

有限元模型分析前應(yīng)符合下述要求：

——應(yīng)按照GB/T33582附錄B規(guī)定選擇SI單位制，質(zhì)量單位選擇噸，長度單位選擇毫米，應(yīng)力

單位選擇兆帕，時(shí)間單位選擇秒，密度單位選擇噸/立方毫米，力的單位選擇牛，模型材料屬

性單位應(yīng)與幾何模型單位一致；

——應(yīng)選笛卡爾直角坐標(biāo)系，當(dāng)邊界條件中有力或者約束與全局坐標(biāo)系不一致時(shí)，可增加局部坐標(biāo)

系；

——焊接CAD模型應(yīng)結(jié)構(gòu)完整，裝配關(guān)系清晰明了；

——三維建模軟件可選用Creo，網(wǎng)格劃分軟件可選用Hypermesh，焊接仿真專用軟件可選

JWRIAN-Assembly或Jweld，大型通用軟件可選Abaqus或Ansys。

6焊接仿真分析模型建立規(guī)則

6.1幾何模型建立及簡化

6.1.1幾何模型簡化應(yīng)符合準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)原則。

6.1.2焊接仿真分析的幾何模型簡化原則：

——應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行干涉檢查，避免模型中存在干涉；

——應(yīng)刪除對(duì)焊接變形影響較小且不重要的零部件，如螺絲、油缸、吊耳、安裝板、固定板等；

——應(yīng)刪除各個(gè)零件上的圓角、切角、退刀槽、凸臺(tái)、無焊縫填充的倒角等細(xì)節(jié)特征；

——應(yīng)刪除各個(gè)零件上直徑≤10mm的孔；

——應(yīng)簡化不規(guī)則的截面形狀。

6.2有限元網(wǎng)格劃分

6.2.1使用JWRIAN-Assembly軟件時(shí)應(yīng)采用殼單元網(wǎng)格劃分，使用Abaqus和Ansys軟件時(shí)應(yīng)采用實(shí)體

單元網(wǎng)格劃分。

6.2.2基于殼單元的網(wǎng)格劃分應(yīng)遵守以下原則：

——應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行干涉檢查，避免模型中存在干涉；

——將模型導(dǎo)入Hypermesh中，宜選擇offset+plane的形式對(duì)幾何模型抽取中面，當(dāng)抽取的中面存

在破損的情況時(shí)，可選擇其它中面抽取方式；

——應(yīng)調(diào)整需要對(duì)齊的平面，并去除中面上的圓倒角、切角等細(xì)節(jié)特征；

——應(yīng)去除中面間隙，使各中面相交；

——應(yīng)修補(bǔ)模型的破面，合并距離很近的邊及節(jié)點(diǎn)；

2

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——應(yīng)去除模型中存在的自由邊；

——應(yīng)將對(duì)接接頭、角接接頭各組件中面的交線作為焊縫，如圖1和圖2所示；

——應(yīng)在搭接接頭兩組件中面之間建立一個(gè)面P，并將該面作為搭接接頭P1組件中面的一部分，

P1組件與P2組件的交線為搭接接頭的焊縫，如圖3所示；

——應(yīng)在端接接頭兩組件中面之間建立一個(gè)面，并將該面平均分為A，B兩個(gè)面，分別賦給P1，

P2兩個(gè)組件的中面，兩組件中面的交線為端接接頭的焊縫，如圖4所示；

——當(dāng)兩組件之間的焊縫超過一條時(shí)，應(yīng)將組件切割成為多個(gè)組件，使每兩個(gè)組件之間僅有一條焊

縫，如圖5所示；

——建立焊接仿真分析模型時(shí)，宜使用四邊形低階單元；

——應(yīng)在焊縫位置劃分足夠多的網(wǎng)格來準(zhǔn)確預(yù)測變形，小型結(jié)構(gòu)焊縫長度方向宜不少于8個(gè)單元，

大型結(jié)構(gòu)宜不少于6個(gè)單元，超大型結(jié)構(gòu)宜不少于4個(gè)單元。

a）幾何模型b）中面模型

標(biāo)引序號(hào)說明：

1——幾何模型中的組件P1；

2——幾何模型中的焊縫；

3——幾何模型中的組件P2；

4——幾何模型中組件P1的中面；

5——幾何模型中組件P2的中面；

6——中面模型中的組件P1；

7——中面模型中的焊縫；

8——中面模型中的組件P2。

圖1對(duì)接接頭的簡化

a）幾何模型b）中面模型

標(biāo)引序號(hào)說明：

1——幾何模型中的組件P1；

3

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2——幾何模型中的焊縫；

3——幾何模型中的組件P2；

4——幾何模型中組件P1的中面；

5——幾何模型中組件P2的中面；

6——中面模型中的組件P1；

7——中面模型中的焊縫；

8——中面模型中的組件P2。

圖2角接接頭的簡化

a）幾何模型b）中面模型

標(biāo)引序號(hào)說明：

1——幾何模型中的組件P1；

2——幾何模型中的焊縫；

3——幾何模型中的組件P2；

4——幾何模型中組件P1的中面；

5——幾何模型中組件P2的中面；

6——中面模型中的組件P1；

7——中面模型中的焊縫；

8——中面模型中的組件P2;

9——中面模型中的面P。

圖3搭接接頭的簡化

a）幾何模型b）中面模型

標(biāo)引序號(hào)說明：

1——幾何模型中的組件P1；

2——幾何模型中的焊縫；

3——幾何模型中的組件P2；

4——幾何模型中組件P1的中面；

5——幾何模型中組件P2的中面；

6——中面模型中的組件P1；

7——中面模型中的面A；

8——中面模型中的焊縫；

9——中面模型中的面B；

10——中面模型中的組件P2。

圖4端接接頭的簡化

4

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a）組件切割前b）組件切割后

標(biāo)引序號(hào)說明：

1——切割前的組件P1；

2——切割前的組件P2；

3——切割前組件P1與組件P2形成的焊縫w1；

4——切割前組件P1與組件P2形成的焊縫w2；

5——切割后的組件P1；

6——切割后的組件P2；

7——切割后形成的新組件P3；

8——切割后組件P1與P2形成的焊縫w1；

9——切割后組件P2與P3形成的焊縫w2；

10——切割后組件P1與P2形成的焊縫w3。

切割前組件P1與組件P2組成的C型結(jié)構(gòu)之間存在焊縫w1和焊縫w2，應(yīng)將組件1切割成為組件P1和組件P3，此時(shí)C型結(jié)構(gòu)

中多出焊縫w3，變形計(jì)算時(shí)應(yīng)忽略焊縫w3，將組件P1與P3之間設(shè)置為剛性連接。

圖5C型結(jié)構(gòu)的簡化

6.2.3基于實(shí)體單元的網(wǎng)格劃分宜符合T/CWANXXXX—2023的規(guī)定。

6.3焊接接頭固有變形計(jì)算

利用固有應(yīng)變法計(jì)算結(jié)構(gòu)焊接變形，應(yīng)先根據(jù)結(jié)構(gòu)特征提取其接頭形式，再根據(jù)接頭形式的不同分

別提取固有變形（包括縱向固有收縮、橫向固有收縮、橫向固有彎曲和縱向固有彎曲），最后在軟件中

輸入固有變形值進(jìn)行變形計(jì)算。焊接接頭固有變形可采用實(shí)驗(yàn)方法、熱彈塑性法和經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行計(jì)算，

計(jì)算步驟見附錄B，主要包括以下內(nèi)容：

a）附錄B.1給出了采用實(shí)驗(yàn)方法提取固有變形的步驟；

b）附錄B.2給出了采用熱彈塑性法提取固有變形的步驟；

c）附錄B.3給出了采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算固有變形的步驟。

6.4計(jì)算條件設(shè)置

6.4.1力學(xué)邊界條件的施加

模型結(jié)構(gòu)邊界條件的設(shè)定應(yīng)符合以下原則：

——焊接仿真分析模型的結(jié)構(gòu)邊界條件設(shè)定應(yīng)符合實(shí)際工況；

——當(dāng)在自由狀態(tài)下進(jìn)行焊接變形計(jì)算時(shí)，應(yīng)限制仿真模型的6個(gè)自由度，以防止工件發(fā)生剛體位

移和轉(zhuǎn)動(dòng)，宜使用如圖6所示的約束方式；

——當(dāng)在裝夾條件下進(jìn)行焊接變形計(jì)算時(shí)，應(yīng)在夾具作用位置施加位移約束。

5

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圖6限制剛體位移的約束方式

6.4.2固有變形的施加

6.4.2.1基于殼單元模型的固有變形的施加應(yīng)符合以下原則：

——單元法向應(yīng)保持一致；

——固有變形的施加位置應(yīng)符合6.2.2中規(guī)定的焊縫位置。

6.4.2.2基于實(shí)體單元模型的固有應(yīng)變的施加應(yīng)符合以下原則：

——宜施加到焊縫熱影響區(qū)；

——宜通過修改材料熱膨脹系數(shù)的方法施加固有應(yīng)變，應(yīng)保證固有應(yīng)變的方向與坐標(biāo)系的方向一

致，針對(duì)異形焊縫，應(yīng)通過對(duì)焊縫進(jìn)行分段，并建立局部坐標(biāo)系的方式保證固有應(yīng)變與坐標(biāo)系

方向的一致性。

6.5有限元模型的檢查

6.5.1網(wǎng)格模型的檢查

網(wǎng)格劃分完成后，應(yīng)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容及要求如下：

——模型中不應(yīng)有重復(fù)、折疊、畸變和連接問題的網(wǎng)格；

——網(wǎng)格檢查的主要參數(shù)包括單元的法向、長寬比、雅克比、內(nèi)角、翹曲度、偏斜度，單元質(zhì)量

控制參數(shù)應(yīng)符合表1的規(guī)定；

——應(yīng)優(yōu)先保證焊縫位置的網(wǎng)格質(zhì)量；

——應(yīng)檢查相連組件間是否存在未耦合的節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合操作。

表1單元質(zhì)量檢查控制參數(shù)

參數(shù)長寬比雅克比內(nèi)角翹曲度偏斜度

數(shù)值5～10≥0.340～135°≤18°≤60°

6.5.2模型設(shè)定的檢查

模型設(shè)定完成后，應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行檢查，檢查內(nèi)容及要求如下：

——組件屬性檢查，應(yīng)對(duì)模型中的各個(gè)組件進(jìn)行排序，并分別賦予屬性特征，確保組件順序與屬

性順序一一對(duì)應(yīng)；

——力學(xué)邊界檢查，依據(jù)模型在實(shí)際焊接過程中的約束狀態(tài)，檢查模型的約束。

6

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7仿真結(jié)果評(píng)估

7.1表象評(píng)估

結(jié)果表象評(píng)估，具體方法如下：

——檢查模型的奇異比；

——檢查模型的收斂性；

——分析焊接變形的合理性。

7.2變形趨勢評(píng)估

通過三維掃描的形式確定物理樣件的變形趨勢，具體方法如下：

——采用三維掃描儀對(duì)焊接后的物理樣件進(jìn)行整體掃描；

——將有限元分析的網(wǎng)格模型導(dǎo)出為stl文件；

——采用最小二乘法進(jìn)行兩個(gè)文件擬合，比對(duì)模型的重合度。

7.3關(guān)鍵位置數(shù)據(jù)評(píng)估

進(jìn)行物理樣件試驗(yàn)，對(duì)比關(guān)鍵位置的有限元結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)修正固有變形參數(shù)，

重新計(jì)算評(píng)估，保證變形結(jié)果偏差不大于10%。

7.4仿真方案制定與實(shí)施

基于7.1~7.3評(píng)估得到的合理有限元模型，可制定考慮焊接順序、焊接工裝夾具、焊前反變形等工藝

的仿真方案，并進(jìn)行仿真實(shí)施與驗(yàn)證，獲得符合目標(biāo)值要求的焊接變形控制方案。

8仿真分析報(bào)告

根據(jù)具體的分析對(duì)象、分析目的等編寫分析報(bào)告，模板見附錄C，仿真實(shí)施過程可參見附錄D示出

的對(duì)接接頭MIG焊接的變形模擬仿真實(shí)例，報(bào)告至少包括但不限于以下內(nèi)容：

——仿真對(duì)象，詳細(xì)描述組件或者結(jié)構(gòu)、焊接工藝和參數(shù)；

——仿真目標(biāo)，介紹分析問題背景，說明采取的分析手段、闡述預(yù)期結(jié)果細(xì)節(jié)；

——物理模型，描述需要模擬的物理過程，給定的邊界條件及簡化假設(shè)；

——分析過程，描述幾何模型的簡化、網(wǎng)格劃分、材料屬性、邊界條件、求解參數(shù)及求解方式；

——結(jié)果分析，應(yīng)給出關(guān)鍵位置的焊接變形值及典型的圖標(biāo)結(jié)果，如變形、應(yīng)力/應(yīng)變云圖。圖表

應(yīng)簡明易懂且不應(yīng)有無關(guān)的信息；

——模型校核，應(yīng)給出保證模擬結(jié)果正確的措施，主要有模型核查、與物理樣件對(duì)比驗(yàn)證。

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附錄A

（規(guī)范性）

基于固有應(yīng)變法焊接數(shù)值模擬流程圖

基于固有應(yīng)變法焊接數(shù)值模擬基本流程如圖A.1所示。

圖A.1基于固有應(yīng)變法焊接數(shù)值模擬流程圖

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附錄B

（資料性）

固有應(yīng)變的提取及數(shù)據(jù)修正

B.1實(shí)驗(yàn)方法

B.1.1利用實(shí)驗(yàn)方法提取對(duì)接接頭固有變形的主要步驟如下：

——根據(jù)圖B.1及表B.1所示的細(xì)節(jié)參數(shù)截取兩塊板材，并根據(jù)板材厚度填充表B.1第一行數(shù)據(jù)；

——拼裝兩塊平板并點(diǎn)焊固定，使用沖頭和錘子在平板上下表面進(jìn)行標(biāo)記，位置如圖B.1中的黑

點(diǎn)所示；

——宜采用三坐標(biāo)儀測量標(biāo)記點(diǎn)位置坐標(biāo)，計(jì)算表B.1第二行相關(guān)數(shù)據(jù)并填充；

——測量后在自由狀態(tài)下焊接平板；

——焊后測量接頭相關(guān)尺寸，填充表B.1第三行數(shù)據(jù)；

——將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入公式（B.1）～（B.3）計(jì)算接頭縱向固有收縮、橫向固有收縮和橫向固有彎

曲，其中ΔL或Δb為負(fù)值時(shí)表示收縮；

——一般情況下縱向固有彎曲（θx*）取值0rad。

注1：OL為該對(duì)接接頭總長度。

注2：B為接頭總寬度。

注3：L、b為參考點(diǎn)位置，其中L參考點(diǎn)僅在下表面標(biāo)記，b參考點(diǎn)在上、下表面均標(biāo)記。

注4：ΔL為焊接后上下表面的平均收縮量。

注5：Δbt為焊接后接頭上表面b的收縮量。

注6：Δbb為焊接后接頭下表面b的收縮量。

注7：e1為焊接后接頭左側(cè)L參考點(diǎn)的上翹量。

注8：e2為焊接后接頭右側(cè)L參考點(diǎn)的上翹量。

注9：d1、d2分別為左、右L參考點(diǎn)與焊縫中心的距離。

圖B.1對(duì)接焊接頭的實(shí)驗(yàn)測量

表B.1對(duì)接接頭固有變形提取中的相關(guān)尺寸（單位：mm）

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b=

尺寸OLLBbtbbd1d2e1e2

(bt+bb)/2

推薦100t60t50t30t30t20t20t00

定位焊后

焊后

注1：t為板厚。

注2：bt為b在焊后接頭上表面的對(duì)應(yīng)值。

注3：bb為b在焊后接頭下表面的對(duì)應(yīng)值。

…………（B.1）

…………（B.2）

………………（B.3）

式中：

*

δx——縱向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

δy——橫向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

θy——橫向固有彎曲，單位為弧度（rad）；

θy1——接頭左側(cè)橫向固有彎曲，單位為弧度（rad）；

θy2——接頭右側(cè)橫向固有彎曲，單位為弧度（rad）；

Δb——上表面收縮（Δbt）與下表面收縮（Δbb）的平均值。

B.1.2對(duì)于由一塊平板和腹板組成的T形接頭（如圖B.2所示），可用類似于對(duì)接接頭的方式來測量接頭

的固有變形。當(dāng)難以準(zhǔn)確量取平板上表面b參考點(diǎn)間距時(shí)，可只在平板背面做好標(biāo)記測量距離變化。平

板和腹板的固有變形（縱向固有收縮、橫向固有收縮、橫向固有彎曲）應(yīng)分別根據(jù)公式（B.4）～（B.6）

和公式（B.7）～（B.9）計(jì)算，通常認(rèn)為平板和腹板的縱向固有彎曲（θx*）為0rad。

注1：H表示腹板高度。

注2：ΔH表示焊接后腹板高度的收縮量。

注3：c表示焊接后腹板頂端橫向位移。

圖B.2T形接頭的實(shí)驗(yàn)測量

…………（B.4）

（B.5）

…（B.6）

式中：

*

δxp——平板縱向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

δyp——平板橫向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

θyp——平板橫向固有彎曲，單位為弧度（rad）；

t——平板板厚，單位為毫米（mm）。

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…………（B.7）

…（B.8）

………………（B.9）

式中：

*

δxw——腹板縱向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

δyw——腹板橫向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

θyw——腹板橫向固有彎曲，單位為弧度（rad）。

B.2熱彈塑性有限元法

B.2.1測量法

利用測量法從熱彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果中提取固有變形的主要步驟如下：

——利用熱彈塑性有限元法計(jì)算簡單焊接接頭變形；

——參考B.1中提及的方法標(biāo)記有限元模型中的參考點(diǎn)，并測量相關(guān)數(shù)據(jù)；

——根據(jù)公式（B.1）～（B.3）計(jì)算對(duì)接接頭固有變形，根據(jù)公式（B.4）～（B.9）計(jì)算T形接

頭固有變形，依然認(rèn)為縱向固有彎曲為0rad。

B.2.2積分法

利用積分法從熱彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果中提取固有變形的主要步驟如下：

——利用熱彈塑性有限元法計(jì)算簡單焊接接頭變形；

——從計(jì)算結(jié)果中提取焊縫截面上沿厚度方向（Z向）分布的三個(gè)塑性應(yīng)變分量，即x方向上的

塑性線應(yīng)變?chǔ)舙x、y方向上的塑性線應(yīng)變?chǔ)舙y和X-Y方向上的塑性切應(yīng)變?chǔ)舩y，示例如圖B.3所示；

——根據(jù)塑性應(yīng)變分布圖，利用公式（B.10）～（B.13）計(jì)算接頭固有變形：

…………（B.10）

…………（B.11）

………（B.12）

………（B.13）

式中：

t——焊接板材厚度，單位為毫米（mm）；

z——以板中面為參考的厚度方向坐標(biāo)。

圖B.3塑性應(yīng)變分量εpx，εpy,εpxy在焊縫橫截面上的分布圖

B.3經(jīng)驗(yàn)公式方法

B.3.1基于殼單元的經(jīng)驗(yàn)公式法

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B.3.1.1對(duì)接接頭固有變形計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

………（B.14）

…………（B.15）

…………（B.16）

（B.17）

（B.18）

0…………（B.19）

式中：

Q——有效熱輸入，單位為焦每毫米（J/mm）；

U——焊接電壓，單位為伏特（V）；

I——焊接電流，單位為安培（A）；

v——焊接速度，單位為毫米每秒（mm/s）；

n——焊接道次；

h——等效板厚，單位為毫米（mm）；

t1——對(duì)接接頭其中一板板厚，單位為毫米（mm）；

t2——對(duì)接接頭另一板板厚，單位為毫米（mm）；

*

δx——縱向固有收縮，單位為毫米（mm）；

E——彈性模量，單位為吉帕斯卡（GPa）；

*

δy——橫向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

θy——橫向固有彎曲，單位為弧度（rad）；

*

θx——縱向固有彎曲，單位為弧度（rad）；

t——平板板厚，單位為毫米（mm）。

B.3.1.2角接接頭固有變形計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

………（B.20）

…………（B.21）

…………（B.22）

…………（B.23）

…………（B.24）

…………（B.25）

………………（B.26）

……（B.27）

…………（B.28）

…………（B.29）

12

T/CWAN0063—XXXX

…………（B.30）

…………（B.31）

式中：

Qp——角接接頭底板有效熱輸入，單位為焦每毫米（J/mm）；

Qw——角接接頭腹板有效熱輸入，單位為焦每毫米（J/mm）；

t1——腹板板厚，單位為毫米（mm）；

t2——底板板厚，單位為毫米（mm）；

F——室溫時(shí)引起工件縱向焊接變形的縱向收縮力，單位為千牛頓（kN）;

*

δxp——底板縱向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

δyp——底板橫向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

θyp——底板橫向固有彎曲，單位為弧度（rad）；

*

θxp——底板縱向固有彎曲，單位為弧度（rad）；

*

δxw——腹板縱向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

δyw——腹板橫向固有收縮，單位為毫米（mm）；

*

θyw——腹板橫向固有彎曲，單位為弧度（rad）；

*

θxw——腹板縱向固有彎曲，單位為弧度（rad）。

B.3.2基于實(shí)體單元的經(jīng)驗(yàn)公式法

基于實(shí)體單元的固有應(yīng)變計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式如下：

…………（B.32）

…………（B.33）

…………（B.34）

…………（B.35）

…………（B.36）

………（B.37）

………（B.38）

式中：

Q——焊接線能量，單位為焦每毫米（J/mm）；

U——焊接電壓，單位為伏特（V）；

I——焊接電流，單位為安培（A）；

v——焊接速度，單位為毫米每秒（mm/s）；

2

Wx——焊縫縱向固有應(yīng)變的總和，單位為平方毫米（mm）;

2

Wy——焊縫橫向固有應(yīng)變的總和，單位為（mm）;

F——焊縫橫截面積，單位為平方毫米（mm2）；

εx——縱向固有應(yīng)變；

εy——橫向固有應(yīng)變；

K——縱向固有應(yīng)變系數(shù)，單位為立方毫米每焦（mm3/J）；

ξ——橫向固有應(yīng)變系數(shù)，單位為立方毫米每焦（mm3/J）；

h——板材厚度，單位為毫米（mm）。

B.4對(duì)接接頭固有變形修正

13

T/CWAN0063—XXXX

B.4.1實(shí)驗(yàn)方法和熱彈塑性有限元法提取固有變形數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)按照?qǐng)DB.4標(biāo)識(shí)選點(diǎn)測量，按照公式（B.39）～

（B.48)計(jì)算四個(gè)固有變形參數(shù)（縱向固有收縮，橫向固有收縮，縱向固有彎曲，橫向固有彎曲），記

為（a0，b0，c0，d0）。選擇的測量點(diǎn)應(yīng)遵守以下原則：

——對(duì)于橫向收縮和橫向彎曲，選擇中間橫截面上的點(diǎn)；

——對(duì)于縱向收縮，選擇位于邊緣和焊縫之間的點(diǎn)；

——對(duì)于縱向彎曲，選擇靠近焊縫的點(diǎn)；

——當(dāng)采用熱彈塑性有限元法計(jì)算固有變形時(shí)，焊縫兩側(cè)對(duì)稱位置節(jié)點(diǎn)位移應(yīng)相同，不同時(shí)應(yīng)取平

均值。

注：Pi（xi，yi，zi）表示板（殼模型）平面上的任意點(diǎn)。

圖B.4對(duì)接接頭實(shí)驗(yàn)測量或FEM取點(diǎn)示意圖

B.4.2縱向固有收縮a0可以通過焊縫長度方向的平均收縮評(píng)價(jià),較大的縱向彎曲使兩個(gè)測量點(diǎn)之間的直線

距離比實(shí)際收縮短，故應(yīng)使用曲線距離：

………………（B.39）

……（B.40）

……（B.41）

……（B.42）

……（B.43）

……………（B.44）

……………（B.45）

式中：

LC——兩個(gè)測量點(diǎn)間的曲線距離，單位為毫米（mm）；

B——對(duì)接接頭寬度,單位為毫米（mm）；

dz——兩個(gè)測量點(diǎn)間的曲線對(duì)應(yīng)弦長，單位為毫米（mm）；

x0,i——點(diǎn)Pi的初始橫坐標(biāo)，單位為毫米（mm）；

y0,i——點(diǎn)Pi的初始縱坐標(biāo)，單位為毫米（mm）；

xi——點(diǎn)Pi的變形后的橫坐標(biāo)，單位為毫米（mm）；

yi——點(diǎn)Pi的變形后的縱坐標(biāo)，單位為毫米（mm）；

Uzi——點(diǎn)Pi在z方向上的位移，單位為毫米（mm）。

B.4.3橫向固有收縮b0，可用三個(gè)垂直于焊縫方向的截面上的平均收縮率近似表示：

…………（B.46）

B.4.4縱向固有彎曲c0，可用焊縫處或焊縫附近兩條縱線處的平均彎曲曲率表示：

…………（B.47）

14

T/CWAN0063—XXXX

B.4.5橫向固有彎曲d0，可用焊縫處或焊縫附近兩條縱線處的彎曲角表示,彎曲角單位應(yīng)為弧度（rad）：

………（B.48）

B.4.6當(dāng)仿真結(jié)果與實(shí)際變形差距較大時(shí)，應(yīng)對(duì)接頭固有變形參數(shù)進(jìn)行修正，具體步驟如下：

——提取焊接試板上各標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)際焊接變形(Ux0(Pi)，Uy0(Pi)，Uz0(Pi))，然后按照B.4.2～B.4.5

計(jì)算初始固有變形參數(shù)(a0，b0，c0，d0)；

——將初始固有變形參數(shù)(a0，b0，c0，d0)輸入JWRIAN軟件中進(jìn)行焊接變形預(yù)測，提取預(yù)測結(jié)果

中各標(biāo)記點(diǎn)變形(Ux1(Pi)，Uy1(Pi)，Uz1(Pi))，然后按照B.4.2～B.4.5計(jì)算固有變形參數(shù)(a1，b1，

c1，d1)，并通過公式ratio_a1=a1/a0，ratio_b1=b1/b0，ratio_c1=c1/c0，ratio_d1=d1/d0評(píng)估準(zhǔn)確性，

如果這些比值接近1.0，說明初始固有變形參數(shù)(a0，b0，c0，d0)較為準(zhǔn)確，可將該參數(shù)作為實(shí)

際接頭的固有變形，否則，計(jì)算誤差ERa1=a1-a0，ERb1=b1-b0，ERc1=c1-c0，ERd1=d1-d0；

——如果誤差大于預(yù)期，則按照公式a1=a0/ratio_a1，b1=b0/ratio_b1，c1=c0/ratio_c1，d1=d0/ratio_d1更

新固有變形參數(shù)(a1，b1，c1，d1)，在JWRIAN中輸入更新后的(a1，b1，c1，d1)，再次計(jì)算焊接

變形，按照B.4.2～B.4.5計(jì)算固有變形參數(shù)(a2，b2，c2，d2)，并計(jì)算誤差ERa2=a2-a0，ERb2=b2-b0，

ERc2=c2-c0，ERd2=d2-d0，如果誤差足夠小，則將(a1，b1，c1，d1)作為實(shí)際接頭的固有變形；

——如果誤差大于預(yù)期，可基于(a1，b1，c1，d1)和(a2，b2，c2，d2)進(jìn)行線性估計(jì)，得出固有變形參

數(shù)(a3，b3，c3，d3)，如圖B.5所示，然后將(a3，b3，c3，d3)輸入JWRIAN中重新計(jì)算焊接變形，

并計(jì)算其誤差，如果誤差足夠小，則將其作為實(shí)際接頭固有變形。

圖B.5固有變形參數(shù)線性估計(jì)

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T/CWAN0063—XXXX

附錄C

（資料性）

文檔模板

表C.1給出了仿真報(bào)告文檔模板。

表C.1文檔模板

編制：XXXX

公司名稱：XXXX版本：V1

依據(jù)：焊接數(shù)值模擬-固有應(yīng)變法

部門：XXXX日期：JJJ-MM-TT

第X頁共X頁

封面簡要說明

仿真對(duì)象

仿真目標(biāo)

物理和數(shù)學(xué)模型

求解方法和應(yīng)用軟件

結(jié)果和結(jié)論摘要

確保模擬結(jié)果質(zhì)量采取的措施摘要

措施備注/說明

已檢查[]是[]否模型檢查

已驗(yàn)證[]是[]否仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，例如:激光三維掃描變形測量

其他：

備注（可選）

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T/CWAN0063—XXXX

附錄D

（資料性）

對(duì)接接頭MIG焊接的變形模擬仿真報(bào)告

表D.1給出了對(duì)接接頭MIG焊接的變形模擬仿真報(bào)告。

表D.1對(duì)接接頭MIG焊接的變形模擬仿真報(bào)告

編制：XXXX

公司名稱：版本：

XXXX依據(jù)：焊接數(shù)值模擬固有應(yīng)變法V1

部門：XXXX日期：JJJ-MM-TT

第1頁共4頁

封面簡要說明

仿真對(duì)象：

201不銹鋼對(duì)接接頭的MIG脈沖電弧焊，板厚4mm，間隙為2.0mm的I型坡口。

仿真目標(biāo)：

模擬201不銹鋼MIG焊接變形和殘余應(yīng)力。

物理和數(shù)學(xué)模型：

/

求解方法和應(yīng)用軟件：

固有應(yīng)變法焊接變形仿真，Jwrian

結(jié)果和結(jié)論摘要：

計(jì)算出的變形與光學(xué)變形測量變形趨勢一致，數(shù)值相近。

確保模擬結(jié)果質(zhì)量采取的措施摘要

措施備注/說明

已檢查[]是[]否模型檢查

已驗(yàn)證[]是[]否仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，激光三維掃描變形測量。

其他：

備注（可選）

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T/CWAN0063—XXXX

編制：XXXX

公司名稱：版本：

XXXX依據(jù)：焊接數(shù)值模擬固有應(yīng)變法V1

部門：XXXX日期：JJJ-MM-TT

第2頁共4頁

D.1模擬對(duì)象

工件尺寸:400mm×300mm×4mm

母材:201不銹鋼

填充材料:S308L

保護(hù)氣體:I1

保護(hù)氣體流量:20l/min

工藝半自動(dòng)化MIG焊接，131

電源:松下YW-50DNW

電弧類型:脈沖電弧

平均功率:3840W

焊接速度6.67mm/s

焊絲直徑:1.0mm

干伸長:10mm

焊槍角度0°

焊縫開口角度:0°

接頭形式，拼焊位置:I型對(duì)接，0mm，200mm，400mm

預(yù)熱溫度:20℃

夾緊：靜態(tài)確定

單位為毫米

標(biāo)引序號(hào)說明：

1——陶瓷墊板；

2——裝配平臺(tái)；

3——拼焊點(diǎn)。

圖D.1工件示意圖

D.2模擬的目的

建立對(duì)接接頭仿真模型，根據(jù)實(shí)際焊接接頭固有變形，利用固有應(yīng)變法進(jìn)行焊接變形分析，并進(jìn)行

合理實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

D.3物理模型

做以下幾點(diǎn)假設(shè)：

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T/CWAN0063—XXXX

編制：XXXX

公司名稱：版本：

XXXX依據(jù)：焊接數(shù)值模擬固有應(yīng)變法V1

部門：XXXX日期：JJJ-MM-TT

第3頁共4頁

——對(duì)于整個(gè)部件，可以假設(shè)材料特性是理想均勻的，各向同性的；

——假設(shè)部件沒有預(yù)應(yīng)力存在；

——忽略組件尺寸公差；

——采用三點(diǎn)約束施加力學(xué)邊界條件。

D.4數(shù)學(xué)模型和求解方法

D.4.1固有變形分量

****

固有變形主要由四個(gè)部分組成：縱向收縮(δx),橫向收縮(δy),縱向彎曲(θx)，以及橫向彎曲(θy)，這

四個(gè)變形分量定義見公式（D.1-D.4）。

…………（D.1）

…………（D.2）

………（D.3）

………（D.4）

式中：

εpx——x方向上的塑性應(yīng)變；

εpy——y方向上的塑性應(yīng)變；

t——焊接板材厚度，單位為毫米（mm）；

z——以板中面為參考的厚度方向坐標(biāo)。

D.5實(shí)施

D.5.1模型網(wǎng)格劃分和約束設(shè)置

根據(jù)試板幾何模型抽取中面，使用四邊形殼單元進(jìn)行2D網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為2mm，采用三

點(diǎn)約束方式（見圖D.2）。

圖D.2試板網(wǎng)格和約束

D.6評(píng)估和結(jié)果展示

D.6.1變形

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編制：XXXX

公司名稱：版本：

XXXX依據(jù)：焊接數(shù)值模擬固有應(yīng)變法V1

部門：XXXX日期：JJJ-MM-TT

第4頁共4頁

實(shí)驗(yàn)測量焊后變形如圖D.3a)所示。仿真模擬焊后變形如圖D.3b)所示。兩圖均顯示樣件冷卻時(shí)的z

方向變形（最終變形）。實(shí)驗(yàn)測量的z方向的最大變形為3.6mm，仿真計(jì)算得出最大變形值為3.8mm。

從定性和定量角度看，計(jì)算獲得焊接翹曲變形與實(shí)驗(yàn)均一致。

a）試驗(yàn)b）仿真

圖D.3z方向變形

D.7模擬結(jié)果評(píng)估

D.7.1模型參數(shù)的校準(zhǔn)

修正接頭固有變形參數(shù)。

D.7.2模擬結(jié)果的可靠性檢查和驗(yàn)證

通過參考比較實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)來進(jìn)行模型的合理性檢查。