ICS21.020

CCSJ04

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CSTM00825—2023

焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算導(dǎo)則

Guideforfiniteelementcalculationofweldingresidualstress

學(xué)兔兔標(biāo)準(zhǔn)下載

2023-11-17發(fā)布2024-02-17實(shí)施

中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布

T/CSTM00825—2023

焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算導(dǎo)則

1范圍

本文件規(guī)定了金屬熔焊殘余應(yīng)力“溫度-組織-應(yīng)力”耦合有限元計(jì)算方法的術(shù)語(yǔ)和定義、符號(hào)及說

明、分析流程、輸入信息采集、確定有限元分析軟件、有限元建模、順序耦合分析方法、溫度場(chǎng)分析、

組織場(chǎng)分析、應(yīng)力場(chǎng)分析、技術(shù)文件等內(nèi)容。

本文件適用于金屬熔焊殘余應(yīng)力的有限元計(jì)算分析。

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。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。凡是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/T3375焊接術(shù)語(yǔ)

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(yǔ)

3術(shù)語(yǔ)和定義

GB/T3375和GB/T31054界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。

3.1

有限元法finiteelementmethod

將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元，并在給定約束條件下，利用有限單元的近似解逼近真實(shí)物理系

統(tǒng)的數(shù)值分析方法。

[來源：GB/T31054－2014,2.1.2]

3.2

有限元分析finiteelementanalysis

基于有限元法的結(jié)構(gòu)性能分析。

[來源：GB/T31054－2014,2.1.3]

學(xué)兔兔3.3標(biāo)準(zhǔn)下載

有限元模型finiteelementmodel

以有限數(shù)量單元的組合逼近產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模型，或更一般的物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模型。

[來源：GB/T31054－2014,2.2.3]

3.4

1

T/CSTM00825—2023

有限元建模finiteelementmodeling

構(gòu)建有限元模型的過程，包括幾何模型處理、有限單元設(shè)置和網(wǎng)格劃分等步驟。

[來源：GB/T31054－2014,2.2.4]

3.5

單元element

具有幾何、物理屬性的最小求解域。

[來源：GB/T31054－2014,2.1.4]

3.6

節(jié)點(diǎn)node

單元之間的鉸接點(diǎn)。

注：每個(gè)單元僅在節(jié)點(diǎn)處和相鄰單元及外部發(fā)生聯(lián)系。

[來源：GB/T31054－2014,2.1.5]

3.7

邊界條件boundaryconditions

在給定工況下，求解域邊界上的幾何、物理?xiàng)l件，如力、溫度、速度和位移等。

[來源：GB/T31054－2014,2.2.7]

3.8

材料性能materialproperties

材料的力學(xué)、熱物理性能等參數(shù)。

[來源：GB/T31054－2014,2.2.8]

3.9

焊接殘余應(yīng)力weldingresidualstress

焊接件在焊接熱過程中因變形受到約束而殘留的內(nèi)應(yīng)力。

[來源：GB/T3375－1994,2.120]

3.10

縱向longitudinaldirection

對(duì)于平板焊接，沿焊接長(zhǎng)度的方向。

學(xué)兔兔3.11標(biāo)準(zhǔn)下載

橫向transversedirection

對(duì)于平板焊接，垂直于焊接長(zhǎng)度的方向。

3.12

2

T/CSTM00825—2023

法向normaldirection

對(duì)于平板焊接，垂直于由縱向和橫向確定的平面的方向，即沿厚度方向。

3.13

環(huán)向/周向circumferentialdirection

對(duì)于環(huán)形結(jié)構(gòu)件焊接，沿焊接長(zhǎng)度的方向。

3.14

軸向transversedirection

對(duì)于環(huán)形結(jié)構(gòu)件焊接，垂直于焊接長(zhǎng)度的方向。

3.15

徑向radialdirection

對(duì)于環(huán)形結(jié)構(gòu)件焊接，垂直于由縱向和橫向確定的平面的方向，即沿厚度方向。

3.16

熱輸入heatinput

熔化焊時(shí)，輸入給單位長(zhǎng)度焊縫上的熱能。

[來源：GB/T3375－1994,2.97]

3.17

道間溫度interpasstemperature

多層多道焊時(shí)，在施焊后繼焊道之前，其相鄰焊道應(yīng)保持的溫度。

[來源：GB/T3375－1994,2.112]

3.18

連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線continuouscoolingtransformationcurve

反映連續(xù)冷卻條件下組織的轉(zhuǎn)變規(guī)律曲線。

3.19

等溫轉(zhuǎn)變曲線timetemperaturetransformationcurve

反映組織在不同過冷度下等溫溫度、保持時(shí)間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物所占百分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。

3.20

擴(kuò)散型相變diffusivephasetransformation

組織轉(zhuǎn)變通過元素?cái)U(kuò)散的方式進(jìn)行，例如奧氏體、珠光體相變等。

學(xué)兔兔3.21標(biāo)準(zhǔn)下載

非擴(kuò)散型相變non-diffusivephasetransformation

組織轉(zhuǎn)變過程中不會(huì)發(fā)生元素的擴(kuò)散，或者存在擴(kuò)散作用但不是相變所必須的因素，例如馬氏體相

變。

3

T/CSTM00825—2023

3.22

相變塑性transformationinducedplasticity

材料在相變過程中，載荷低于屈服強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的塑性應(yīng)變。

3.23

相變塑性系數(shù)coefficientoftransformationplasticity

表征材料相變塑性特征的參數(shù)。

3.24

各向同性強(qiáng)化模型isotropichardeningmodel

指屈服面尺寸在應(yīng)力空間的各個(gè)方向均勻改變，材料進(jìn)入塑性變形后，加載曲面在各個(gè)方向均

勻擴(kuò)張，但屈服面中心及形狀保持不變。

3.25

隨動(dòng)強(qiáng)化模型kinematichardeningmodel

材料在進(jìn)入塑性以后，加載曲面在應(yīng)力空間僅做剛體移動(dòng)，但其屈服面形狀、大小保持不變。

3.26

混合強(qiáng)化模型mixedhardeningmodel

包含各向同性強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化兩部分，在描述屈服面大小演變的同時(shí)也考慮了屈服中心的平移。

3.27

退火軟化效應(yīng)annealingeffect

焊接過程中材料應(yīng)變強(qiáng)化的回復(fù)現(xiàn)象，即由于動(dòng)態(tài)回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大等因素對(duì)材料位錯(cuò)

的影響，材料累積的塑性應(yīng)變?cè)谝欢囟确秶鷥?nèi)被快速清除。

3.28

退火溫度annealingtemperature

當(dāng)溫度達(dá)到并超過退火溫度時(shí)，出現(xiàn)退火軟化現(xiàn)象，累積塑性應(yīng)變清零，當(dāng)溫度冷卻到退火溫

度后，塑性恢復(fù)。

3.29

階躍退火模型single-stageannealingmodel

該模型認(rèn)為材料達(dá)到退火溫度以上時(shí)完全清除累積的應(yīng)變強(qiáng)化。

3.30

學(xué)兔兔動(dòng)態(tài)退火模型time-temperature-dependentannealingmodel標(biāo)準(zhǔn)下載

該模型同時(shí)考慮退火溫度、退火時(shí)間對(duì)累積應(yīng)變強(qiáng)化清除效應(yīng)的影響。

4符號(hào)和說明

表1給出的符號(hào)適用于本文件。

4

T/CSTM00825—2023

表1符號(hào)和說明

符號(hào)說明單位

K熱傳導(dǎo)系數(shù)W/m2·K

cp比熱容J/(kg·K)

ρ密度kg/m3

H熱輸入J/m

P電弧功率J/s

I電流A

U電壓V

η焊接熱效率-

v焊接速度m/s

T瞬時(shí)溫度K

Trt室溫K

Tm熔點(diǎn)K

Ta退火溫度K

?T溫度范圍K

trK

Tis相變開始溫度

tr

Tie相變結(jié)束溫度K

k相變塑性系數(shù)MPa-1

5分析流程

焊接殘余應(yīng)力有限元分析流程如圖1所示：

圖1焊接殘余應(yīng)力有限元分析流程圖

學(xué)兔兔6輸入信息采集標(biāo)準(zhǔn)下載

6.1工藝信息

需要采集的焊接工藝信息主要包括：

a）焊接方法；

b）焊接件整體幾何尺寸；

5

T/CSTM00825—2023

c）焊接接頭形貌宏觀截面圖；

d）焊接熱輸入：需首先獲取電流、電壓、焊接速度、焊接熱效率；

e）焊接坡口：包括坡口形式、坡口角度等；

f）起弧收弧位置；

g）焊接順序；

h）焊道數(shù)量；

i）預(yù)熱溫度；

g）道間溫度及冷卻時(shí)間；

k）機(jī)械約束（包括焊接墊板及夾具的使用方式和位置）；

l）蓋面焊和清根焊的使用；

m）焊接熱循環(huán)曲線。

6.2材料信息

6.2.1應(yīng)確定焊材、母材的牌號(hào)及其化學(xué)成分，當(dāng)焊材與母材的化學(xué)成分接近時(shí)，可采用相同的材料參

數(shù)進(jìn)行有限元分析；材料屬性單位應(yīng)與幾何模型單位一致?？刹樵兿嚓P(guān)材料手冊(cè)或者通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試、材

料性能模擬軟件獲取材料的熱物性及力學(xué)性能參數(shù)。

6.2.2熱物性材料參數(shù)

如表2所示，所需熱物性參數(shù)包括熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、密度、相變開始溫度、相變結(jié)束溫度。超

過Tm時(shí)，為考慮熔池內(nèi)流體的對(duì)流攪拌作用，應(yīng)將熱傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)置為較高的數(shù)值（建議可取室溫下數(shù)

值的3倍）。

表2所需熱物性參數(shù)

參數(shù)溫度區(qū)間測(cè)試方法

熱傳導(dǎo)系數(shù)Trt-Tm激光法導(dǎo)熱儀測(cè)試

比熱容Trt-Tm差示掃描量熱儀測(cè)試

密度Trt流體靜力稱衡法測(cè)試

相變開始溫度—熱模擬試驗(yàn)

相變結(jié)束溫度—熱模擬試驗(yàn)

6.2.3力學(xué)參數(shù)

如表3所示，所需力學(xué)參數(shù)包括室溫至熔點(diǎn)的彈性模量、強(qiáng)化參數(shù)、泊松比、熱膨脹系數(shù)。為提高

有限元計(jì)算的收斂性，建議將熔點(diǎn)Tm以上的彈性模量值及強(qiáng)化參數(shù)設(shè)置為其室溫值的1%。為考慮金

屬材料退火軟化效應(yīng)帶來的塑性應(yīng)變消除效果，應(yīng)該設(shè)置退火溫度Ta；退火軟化效應(yīng)通常通過階躍退

學(xué)兔兔火模型或者動(dòng)態(tài)退火模型在有限元軟件內(nèi)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于存在固態(tài)相變行為的材料，考慮各個(gè)相不同標(biāo)準(zhǔn)下載溫度下

的力學(xué)性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定難度較大，推薦可基于不同相的元素成分并通過材料性能模擬軟件獲取各相參

數(shù)，進(jìn)而基于線性混合法則和不同相的體積分?jǐn)?shù)得到材料力學(xué)性能參數(shù)的變化。

表3所需力學(xué)參數(shù)

參數(shù)溫度區(qū)間測(cè)試方法

6

T/CSTM00825—2023

彈性模量Trt-Tm室溫及高溫拉伸試驗(yàn)

泊松比Trt-Tm室溫及高溫拉伸試驗(yàn)

強(qiáng)化參數(shù)Trt-Tm室溫及高溫拉伸試驗(yàn)

熱膨脹系數(shù)Trt-Tm熱膨脹儀示差法試驗(yàn)

7確定有限元分析軟件

采用商用有限元軟件或自主編寫程序?qū)崿F(xiàn)焊接應(yīng)力計(jì)算，應(yīng)具有以下基本功能：

a)熔敷金屬的添加：為實(shí)現(xiàn)焊縫金屬的熔敷，軟件應(yīng)具有添加和移除單元的功能，或者可以對(duì)單

元的材料屬性進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)將焊縫金屬在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間“消失”或者“激活”，詳見8.5;

b)熱源模型的建立：計(jì)算軟件需能夠通過施加節(jié)點(diǎn)溫度及熱流密度，或者在單元上施加熱源還原

實(shí)際焊接熱歷程;

c)材料性能的添加：有限元軟件還需能夠處理溫度相關(guān)的材料參數(shù)，并可以計(jì)算由熱傳導(dǎo)、熱對(duì)

流和熱輻射而產(chǎn)生的熱損失。應(yīng)實(shí)現(xiàn)用強(qiáng)化模型來描述材料的力學(xué)行為，包括隨動(dòng)強(qiáng)化、各向同性強(qiáng)化

和混合強(qiáng)化模型；也應(yīng)具備自有功能或可通過編寫用戶自定義子程序來描述材料的退火軟化效應(yīng)和固態(tài)

相變效應(yīng)。

8有限元建模

8.1確定建模方法

8.1.1二維截面模型

所需分析時(shí)間相對(duì)較短，適用于大厚度多道焊結(jié)構(gòu)的橫向及法向（或軸向及徑向）殘余應(yīng)力求解。

該方法通?；谄矫鎽?yīng)變假設(shè)，縱向（或環(huán)向）應(yīng)力的預(yù)測(cè)值偏大；可引入廣義平面應(yīng)變單元，降低平

面應(yīng)變假設(shè)產(chǎn)生的過約束效果。

8.1.2二維軸對(duì)稱模型

相當(dāng)于同時(shí)焊接整個(gè)圓周，適用于具有對(duì)稱軸的厚壁構(gòu)件多層多道焊接殘余應(yīng)力分析，如管類、盤

類、柱類構(gòu)件，且焊縫為整個(gè)圓周上的環(huán)焊縫。

8.1.3三維殼單元模型

適用于薄壁結(jié)構(gòu)或者是法向（或徑向）應(yīng)力可被忽略的情況。

8.1.4三維實(shí)體單元模型

適用于求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)中沿焊接方向位置的應(yīng)力（如補(bǔ)焊區(qū)域、薄壁結(jié)構(gòu)、焊縫收弧引弧位置的殘余

學(xué)兔兔應(yīng)力計(jì)算），但所需建模及計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)。標(biāo)準(zhǔn)下載

8.2幾何模型建立

依據(jù)實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)尺寸、按照1:1的比例關(guān)系建立整體模型，焊縫區(qū)域需依據(jù)宏觀焊接接頭截面圖

進(jìn)行建模，包括熔融輪廓、焊縫尺寸等幾何特征，焊道橫截面的幾何形狀通常理想化為梯形；對(duì)于大尺

寸結(jié)構(gòu)，且焊縫相對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)而言較小，可在保證焊縫尺寸完整條件下依據(jù)圣維南定理建立局部模型。

7

T/CSTM00825—2023

8.3網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分包括如下內(nèi)容：

a）在焊縫及近焊縫區(qū)，以及重點(diǎn)關(guān)注的結(jié)構(gòu)區(qū)域，需要進(jìn)行高度的網(wǎng)格細(xì)化，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)可采用

較稀疏的網(wǎng)格；

b）可采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)分區(qū)域只集中在熱源附近，而其它部分則能夠保持較疏的

網(wǎng)格，從而降低整體網(wǎng)格數(shù)量，提高運(yùn)算速度；

c）當(dāng)采用移動(dòng)熱源進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)（詳見10.1.1），應(yīng)確保焊縫區(qū)網(wǎng)格尺寸至少小于熱源模型

特征尺寸的一半；

d）網(wǎng)格優(yōu)先劃分為四邊形單元（二維模型）或六面體單元（三維模型），既能保證計(jì)算結(jié)果的可

靠性，也能提高計(jì)算效率；

e）確保不存在網(wǎng)格畸變現(xiàn)象，長(zhǎng)寬比不大于5，翹曲度不超過16°；

f）宜進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析，即采用不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行試算，分析計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格尺寸的關(guān)系，

選取能夠保證精度和效率的網(wǎng)格尺寸。

8.4單元類型選擇

單元類型選擇包括如下內(nèi)容：

a）主要單元類型包括低階完全積分單元、低階減縮積分單元，以及高階完全積分單元、高階減縮

積分單元。高階單元相較于低階單元能更準(zhǔn)確描述變形、應(yīng)力集中問題；

b）熱分析既可采用低階單元也可采用高階單元，但采用低階單元時(shí)需要細(xì)化網(wǎng)格以增加精度；

c）在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)使用減縮積分單元，以避免在完全積分的單元中發(fā)生自鎖問題；結(jié)構(gòu)形

狀不規(guī)則、變形和應(yīng)力分布復(fù)雜時(shí)宜選用高階單元。

8.5焊縫金屬的填充

8.5.1生死單元法

運(yùn)算前，將整個(gè)焊縫的剛度矩陣與極小的因子相乘，使未被加熱的焊縫單元定義為“死單元狀態(tài)”，

不出現(xiàn)在幾何模型中；焊接過程開始后，通過乘以包含若干單元的相應(yīng)焊縫矩陣，按照實(shí)際焊接順序逐

個(gè)恢復(fù)焊道。

8.5.2材料參數(shù)控制法

焊縫區(qū)域的所有網(wǎng)格單元始終出現(xiàn)在計(jì)算模型中，通過控制材料參數(shù)使未加熱的焊縫單元處于未被

激活的狀態(tài)。熱源前后的焊縫金屬被定義為具有不同的場(chǎng)變量。在熱分析中，可以通過將熱導(dǎo)率降低兩

個(gè)數(shù)量級(jí)等效為材料未加熱的狀態(tài)。在應(yīng)力分析中，可通過在改變材料力學(xué)性能參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

9順序耦合分析方法

順序耦合是指焊接溫度場(chǎng)是產(chǎn)生焊接應(yīng)力和變形的前提，但應(yīng)力和變形并未對(duì)焊接溫度變化產(chǎn)生直

學(xué)兔兔接而顯著的影響。首先完成溫度場(chǎng)的運(yùn)算，并將整個(gè)溫度場(chǎng)的結(jié)果作為預(yù)定義場(chǎng)，導(dǎo)入后續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)下載組織場(chǎng)或

應(yīng)力場(chǎng)分析，逐步迭代完成殘余應(yīng)力的計(jì)算。由于焊接變形產(chǎn)生的熱量可以忽略，因此通常宜采用順序

耦合方法進(jìn)行焊接有限元分析。

10溫度場(chǎng)分析

8

T/CSTM00825—2023

10.1熱源模型的選擇

根據(jù)8.1中建模方法匹配熱源模型，整體分為移動(dòng)熱源模型及靜態(tài)等效熱源模型。

10.1.1移動(dòng)熱源模型

移動(dòng)熱源模型包括下列內(nèi)容：

a）分類包括面熱源模型、體熱源模型、組合熱源模型；

b）移動(dòng)熱源適用于三維實(shí)體單元建模方法及三維殼單元建模方法，是最貼近實(shí)際焊接熱源的形式，

更適用于預(yù)測(cè)沿焊接方向的應(yīng)力；

c）面熱源模型適用于薄壁焊接結(jié)構(gòu)，主要類型為高斯表面熱源，其熱源分布函數(shù)見公式（１）：

33UIr．．．．．．．．．(1)

qr()22exp()

RR00

式中：

q(r)－距離熱源中心r處的熱流密度；

Η－為焊接熱效率；

U－電流；

I－電壓；

R0－熱源半徑。通常根據(jù)對(duì)比實(shí)測(cè)及計(jì)算的熔化區(qū)截面半徑將R0值進(jìn)一步優(yōu)化，如果模擬得到的

焊縫熔化區(qū)半徑比實(shí)際略小、則應(yīng)調(diào)小R0值，若比實(shí)際略大、應(yīng)增大R0值；

d）體熱源模型適用于具有較大熔深的焊縫；常見的體熱源模型包括半橢球、橢球及雙橢球體熱源

模型，三種模型對(duì)應(yīng)的熱源分布函數(shù)可分別表示為公式（2）～公式（4）。對(duì)于具有大電弧沖擊效應(yīng)的

焊接方法，如氬弧焊，宜采用雙橢球體熱源。

3UI3x23y23z2

q(x,y,z)exp().........................(2)

c3c2

式中:

x、y、z－與熱源中心在x、y、z方向上的距離;

c－半球體半徑。

63UI3x23y23z2

q(x,y,z)exp().........................(3)

abca2b2c2

式中:

a、b、c－橢球體三個(gè)方向的半軸長(zhǎng)。

222

63f1UI3x3y3z

q(x,y,z)exp(222),x0

a1bca1bc.......(4)

222

63f2UI3x3y3z

q(x,y,z)exp(222),x0

a2bca2bc

學(xué)兔兔式中:標(biāo)準(zhǔn)下載

f1、f2－雙橢球前、后部分橢球的能量分配系數(shù)，且f1+f2=2，建議f1取1.6，f2取0.4；

a1、a2、b和c－雙橢球熱源的形狀參數(shù)。計(jì)算前，需根據(jù)焊接開始位置設(shè)置熱源起始點(diǎn)坐標(biāo)，建議

根據(jù)實(shí)際熔寬確定a、a1、a2、b的初始值，根據(jù)實(shí)際熔深確定c的初始值。取值按公式（5）和公式（6）

確定：

a=b=a1=0.5a2≈0.45Wwidth.......................(5)

9

T/CSTM00825—2023

c≈0.9Wdepth(6)

式中：

Wwidth、Wdepth－實(shí)際熔深及熔寬。根據(jù)對(duì)比實(shí)際及計(jì)算的熔化區(qū)截面尺寸將熱源形狀參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)

化。

e）對(duì)于復(fù)雜的焊道形貌，宜采用包含雙橢球體熱源的組合熱源。

10.1.2靜態(tài)等效熱源模型

靜態(tài)等效熱源模型包括下列內(nèi)容：

a）適用于二維截面建模法或者是厚壁結(jié)構(gòu)的三維建模方法，適用于預(yù)測(cè)橫向及法向（或軸向及徑

向）應(yīng)力；

b）該熱源模型屬于內(nèi)生熱源，其作用區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的內(nèi)生熱率等于電弧有效功率除以所作用單

元的體積，如公式（7）所示，即：

UI

q.......................(7)

V

式中：

V－熱源作用體積；應(yīng)選取整個(gè)焊縫體積的1/10-1/5對(duì)V進(jìn)行試算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，不斷

調(diào)整V值以獲取合適的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。

10.2熱輸入的確定

焊接熱輸入H由單個(gè)焊縫在單位長(zhǎng)度上焊接電弧凈能量決定，見公式（8）；

PUI

H=......................(8)

vv

式中：

P－焊接電弧功率(焊接電流I和電弧電壓U的乘積)；

v－焊接速度。根據(jù)該公式可對(duì)熱輸入進(jìn)行初步計(jì)算，并應(yīng)進(jìn)一步根據(jù)溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)熱輸入值

進(jìn)行修正。

10.3熱邊界條件處理

10.3.1對(duì)流

對(duì)流換熱效應(yīng)在低溫區(qū)影響顯著，需在模型表面設(shè)置材料的對(duì)流交換系數(shù)，絕熱的表面及對(duì)稱平面

的表面不需進(jìn)行對(duì)流傳熱設(shè)置。

10.3.2輻射

輻射換熱效應(yīng)在高溫區(qū)影響顯著，同樣需在表面施加熱輻射系數(shù)。

學(xué)兔兔10.3.3預(yù)熱溫度標(biāo)準(zhǔn)下載

根據(jù)實(shí)際焊接工藝條件，通過設(shè)置模型初始溫度以實(shí)現(xiàn)預(yù)熱溫度的加載。

10.3.4道間溫度

應(yīng)控制熔敷后焊縫的道間溫度，通常設(shè)置為測(cè)量值或者焊接工藝卡設(shè)定值的上限。

10

T/CSTM00825—2023

10.3.5增量步設(shè)置

對(duì)升溫至和降溫至400℃的時(shí)間段采用較小步長(zhǎng)，400℃以下溫度的計(jì)算可以采用大步長(zhǎng)，以節(jié)約

計(jì)算時(shí)間。

10.4后處理與結(jié)果評(píng)估

應(yīng)提取并處理下列結(jié)果進(jìn)行評(píng)估：

a）最高溫度：檢查焊縫區(qū)域每一節(jié)點(diǎn)的最高溫度是否均超過熔點(diǎn)；

b）焊接熔池的形貌與尺寸：將溫度分布云圖顯示上限設(shè)置為材料的固相線溫度以顯示熔合線邊

界，與焊接接頭宏觀截面圖對(duì)比。如果缺乏宏觀截面圖，需與有相近熱輸入量及尺寸的焊接接頭模型進(jìn)

行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果應(yīng)保證熔池形貌近似，熔池的預(yù)測(cè)和測(cè)量面積差值應(yīng)在±10％之內(nèi)；

c）瞬時(shí)溫度曲線：宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試的熱電偶布置情況，在熱影響區(qū)或熔合線外10mm左右

位置提取瞬時(shí)焊接熱循環(huán)曲線，與測(cè)試所得溫度變化曲線進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)和測(cè)量的瞬態(tài)溫度差值應(yīng)在

±10％之內(nèi)。

11組織場(chǎng)分析

11.1若材料在焊接過程中存在固態(tài)相變效應(yīng)（如低合金鋼、馬氏體鋼、鈦合金等會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散型或非擴(kuò)

散型固態(tài)相變現(xiàn)象），則將發(fā)生多相組織的轉(zhuǎn)變，會(huì)對(duì)材料造成下列影響：

a）體積變化；

b）屈服強(qiáng)度變化；

c）相變塑性；

11.2在殘余應(yīng)力計(jì)算過程中應(yīng)考慮固態(tài)相變的影響。上述三方面影響主要體現(xiàn)在材料參數(shù)（詳見6.2.2

及6.2.3）及本構(gòu)模型（詳見12.2.2）的改變，可通過開發(fā)有限元用戶子程序或者利用相關(guān)有限元分析軟

件中自帶考慮固態(tài)相變影響的計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)。

11.3若材料多以在凝固過程中析出物轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳎ㄈ绮糠咒X合金、鎳基合金、鎂合金），則對(duì)殘余應(yīng)力

影響較小，在殘余應(yīng)力計(jì)算中不需考慮固態(tài)相變影響。

11.4常見相變類型包括：

a）擴(kuò)散型相變：鐵素體、珠光體、奧氏體相變等；

b）非擴(kuò)散型相變：馬氏體相變等。

11.5相含量計(jì)算包括下列內(nèi)容：

a）擴(kuò)散型相變的相含量計(jì)算推薦采用公式（9）的Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov（JMAK）模

學(xué)兔兔型：標(biāo)準(zhǔn)下載

1exp(ktn)......................(9)

式中：

k—系數(shù)，反映形核和晶粒長(zhǎng)大的速度，其值的大小與溫度密切相關(guān)；

n—Avrami指數(shù)，其值的大小與相變類型有關(guān)；

11

T/CSTM00825—2023

k和n的值可以通過材料的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖來確定。推薦采用Scheil疊加原

理進(jìn)行相變模型的非等溫轉(zhuǎn)化。

b）非擴(kuò)散型相變的相含量計(jì)算推薦采用公式（10）的Koistinen-Marburger（K-M）模型：

1exp(b(MssT)),(M＞T)......................(10)

式中：

b—相轉(zhuǎn)變速率，其值與材料本身相關(guān)；

Ms—材料的相變開始溫度。

11.6后處理與結(jié)果評(píng)估

需提取焊縫及熱影響區(qū)的相比例計(jì)算結(jié)果，與對(duì)應(yīng)位置的金相或電子背散射衍射等實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)

行對(duì)比驗(yàn)證。

12應(yīng)力場(chǎng)分析

12.1邊界條件處理

依據(jù)實(shí)際焊接工況下的約束施加邊界條件。如果對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)建模，需對(duì)結(jié)構(gòu)外部施加約束，若焊接

過程中沒有采用夾具或者墊板，邊界條件應(yīng)保證能消除結(jié)構(gòu)的剛體平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，但不能引起過約

束；如果只對(duì)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)部分建模，應(yīng)考慮其余部分的約束作用；如果建立對(duì)稱模型，則必須在垂直

于對(duì)稱方向的對(duì)稱面上施加力學(xué)約束；如果實(shí)際構(gòu)件最后釋放了約束，要增加一個(gè)分析步用于進(jìn)行釋放

約束條件（自由態(tài)）的計(jì)算，最終獲得的應(yīng)力為殘余應(yīng)力。

12.2本構(gòu)模型

12.2.1無固態(tài)相變效應(yīng)見公式（11）:

ddthdedp......................(11)

式中：

de－彈性應(yīng)變?cè)隽浚?/p>

dp－塑性應(yīng)變?cè)隽浚?/p>

dth－熱應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

12.2.2存在固態(tài)相變效應(yīng)見公式（12）:

ddthdedpdvoldtp......................(12)

式中：

vol－相變體積應(yīng)變?cè)隽?，可通過相變轉(zhuǎn)變量與新相膨脹應(yīng)變vol的乘積計(jì)算，即由公式（）

dfdi13

學(xué)兔兔計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)下載

dvol=fdvol(13)

i......................

dtp－相變塑性應(yīng)變?cè)隽浚赏ㄟ^公式（14）的Greenwood–Johnson或（公式15）的Leblond模型

計(jì)算：

12

T/CSTM00825—2023

dtp=kSf(14)

..............................................

3

dtpklnfSh(eq)f....................................(15)

2Ymix

式中：

S－應(yīng)力張量；

f－新相含量；

△f－相體積分?jǐn)?shù)增量；

f－相變速率，h()eq為非線性因素；

Ymix

k－相變塑性參數(shù)，可由公式（16）計(jì)算:

th......................(16)

k2/iji

式中：

th

ij－新相與舊相之間熱應(yīng)變的差值；