1.4 焊接数值模拟的内容
焊接数值模拟技术已经遍及焊接领域的各个方面，主要包括以下几个方面
1)工件温度场分析。
2)焊接熔池液体流动的数值模拟。
3)焊接电弧形态及焊接电弧物理的数值模拟。
4)焊接组织相变及接头组织性能预测的数值模拟。
5)焊接应力与变形的数值模拟。
6)焊接过程中的氢扩散的数值模拟。
7)特种焊接过程的数值模拟。
8)焊接接头力学行为的数值模拟。
其中，工件温度场分析、焊接应力与变形、焊接过程中的氢扩散、特种焊接过程及焊接接头力学行为等的数值模拟都可应用有限元法进行求解，而焊接电弧、焊接熔池流体流动等的数值模拟一般要涉及流体力学，因此采用有限体积法较为方便。焊接组织相变的数值模拟可涉及从微观、介观到宏观的多个计算尺度，对于微观、介观尺度下的相变与组织转变过程的模拟，常采用分子动力学方法、相场法、蒙特卡罗法及元胞自动机等方法，而对于接头宏观上组织含量的模拟，有限元法也有所涉及。
本书主要介绍应用有限元法、有限体积法对焊接过程诸多方面进行数值模拟的理论及软件实现过程，而其他涉及微观模拟的内容不在本书的讨论范围内。
1.5 焊接数值模拟的意义与发展概况
焊接数值模拟的意义在于，通过对复杂或不可观察的现象和过程进行定量分析和极端情况下尚不知规则的推测和预测，实现对复杂焊接现象的模拟，不但有助于认清焊接物理过程，还可以优化焊接工艺和结构设计，减少实验工作量，从而提高焊接生产效率131。
焊接数值模拟技术是伴随着计算机技术和数值计算方法的发展而逐步诞生和发展起来的，也是伴随着非线性有限元计算技术的成熟而发展成熟起来的。最初的有限元计算方法只适用于线弹性结构分析，而焊接过程是一个高度非线性的复杂过程，这给焊接过程的数值模拟带来了非常巨大的困难。Marcal在他的综述文章中感慨:焊接过程也许是结构力学过程中非线性最强的4。最早的焊接过程数值模拟见于19世纪 70年代，日本大阪大学的 Ueda及美国布朗大学的 Marcal与 Hibbit[]率先将材料的非线性及几何的非线性纳入焊接热-力耦合计算过程中。随后，Marcal创立了第一个非线性商业有限元程序--Marc，他的博士生 Hibbitt也与其他人(Karlsson和Sorenson)合作建立了HKS公司，并发布了Abaqus非线性有限元软件，使 Abaqus商业软件进入市场。可以说非线性有限元软件的出现为焊接过程的数值模拟提供了重要的技术基础，极大地推动了焊接数值模拟技术的发展。
在 Ueda 等前人创新性工作的基础上，2005年，Goldak编写的 Computationalmelding Mechanics7]一书的出版标志着一个新兴学科分支--计算焊接力学(Computational Welding Mechanics，CWM)的建立。计算焊接力学是通过计算机和数值解法来求解焊缝及近缝区连续介质力学问题的一门交叉学科。其整合了焊接过程数值模拟中的三大物理场--热场、应力应变场及微观组织相变场之间的耦合关系，并在随后的几十年中得到快速发展，但在初期，计算焊接力学并未将焊接流体场计算包含在内。目前，计算焊接力学已发展成一门涉及计算流体力学磁流体动力学、热力问题、计算材料科学的综合性交叉学科。
近年来，国内外对焊接数值模拟技术的应用进行了很多研究并取得了不少成果。继 Ueda、Goldak 的开创性工作之后，Lindgren[]全面总结了计算焊接力学领域的发展，并对计算焊接力学的内涵及其应用进行了进一步的阐述。在焊接热力模拟方面，Bergheau 等使用黏塑性模型作为材料模型来精确模拟材料在高温时的黏性行为，并就其对焊接残余应力与变形的影响进行了分析。Vincent等10基于 Satoh 实验，精确测定了材料在多次热循环连续作用下的黏塑性行为及记忆效应，并将其用于材料的多道焊模拟。在电弧熔池流体模拟方面，Lu等1通过建立电弧-熔池统一模型，对电弧能量分布及熔池几何形状进行了模拟计算。在焊接微观组织模拟方面，Thiessen 等2)将相场法引入焊接模拟，在得到焊接热、力场的同时给出了较为精确的材料微观组织分布等。
国内从 20 世纪 80年代开始焊接数值模拟的研究工作。80年代初期，西安交通大学和上海交通大学率先开展了焊接热弹塑性理论及数值计算方面的研究工作。90年代，上海交通大学携手日本大阪大学对三维焊接应力和变形问题进行了共同研究，提出了改善计算精度和收敛性的若干途径，开发了相关三维焊接程序并有不少成功实例。近年来，山东大学在电弧物理及熔池流动行为方面，哈尔滨工业大学、南京航空航天大学在焊接微观组织演化方面，清华大学在等效焊接热源模型方面，天津大学在固有应变法研究等方面均做出了卓有成效的研究。
近年来，焊接数值模拟计算软件也得到了较快的发展，除了Abaqus、ANSYS等通用软件可以进行焊接模拟外，还出现了如SYSWELD、Simufact、Sorpas 等专用焊接模拟软件，极大地方便了焊接工程技术人员和研究者从事焊接过程模拟方面的研究。目前，我国已经形成了一批较成熟的准商品化的软件，但与发达国家相比，还有较大差距。随着我国制造业强国地位的进一步稳固，随着焊接生产方式逐渐向精细、智能、柔性转变，焊接过程数值模拟技术在我国将具有广阔的应用前景。
（内容、图片来源：《焊接过程数值模拟》一书，侵删）
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