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作者：初雅杰编

出版社：化学工业出版社

出版时间：2020-04-01

书籍编号：30617922

ISBN：9787122357625

正文语种：中文

字数：265854

版次：

所属分类：教材教辅-大学

内容提要

本书以焊接有限元分析为目标介绍了ANSYS软件的基本操作和实体建模、网格划分、后处理等功能及其操作；讲解了ANSYS命令流与参数化设计语言（APDL）以及ANSYS在温度场、应力场及耦合场的应用；通过工程实例介绍了电子封装焊接、电弧焊接、搅拌摩擦焊接和压力焊接等有限元分析的过程和要点。本书部分案例以GUI和APDL两种方式展开。读者可以下载命令流程序代码。

本书可供高等学校焊接、材料成型与控制工程专业本科生、研究生教学使用，也可供焊接、机械设计与制造技术人员参考。读者可在www.cipedu.com.cn搜索“焊接有限元技术”下载本书代码。

版权页

书名：焊接有限元技术

作者：初雅杰主编

CIP号：第266439号

ISBN：978-7-122-35762-5

责任编辑：李玉晖　杨　菁

出版发行：化学工业出版社（北京市东城区青年湖南街13号 100011）

购书咨询：010-64518888

售后服务：010-64518899

网址：http://www.cip.com.cn

版权所有　违者必究

序

焊接应力的分布与焊接变形的分析一直是焊接结构研究的热点。在很多工程应用中，无法准确测量焊接结构特定部位应力的具体数值，同时，在一些非常复杂的焊接结构中也无法准确预测焊接结构残余应力的大小，导致焊接结构件在后续使用过程中很可能发生重大安全事故。随着计算机技术的快速发展，有限元方法成为处理各种复杂工程问题的重要分析手段，相关的有限元分析软件成为进行科学研究的重要工具。在众多有限元分析软件中，ANSYS软件是高校和企业中最为通用的商用软件之一，它融结构、传热、流体和电磁分析于一体，具有极为强大的前后处理及计算分析能力。利用该软件可以获得焊接结构的温度场分布、残余应力分布及焊接变形，可以对焊接结构工艺及设计进行评判和优化，同时也可降低实际焊接试验的工作量。基于该软件对焊接结构件的计算分析，与典型的验证性试验相结合可以做到高效率和低成本。

本书从工程应用的角度介绍了有限元分析理论、ANSYS软件基础及APDL语言以及大量的焊接实例，内容翔实。本书特点如下：

① 焊接实例非常丰富，同时涉及的种类也很多，有电子封装焊接、电弧焊接、搅拌摩擦焊接和压力焊接等。

② 以有限元基础—软件使用—APDL编程—焊接实例为主线，系统阐述了如何进行焊接CAE分析，内容逻辑性很强，初学者也可以很轻松地完成基本的焊接有限元分析。

③ 通过实例详细地介绍了如何建模、分析计算、结果处理等，部分案例分别以GUI和APDL两种方式进行有限元分析，同时融入了一些解决实际问题的相关经验和技巧。

本书理论性和工程实用性兼备，特别适合从事焊接有限元分析的技术人员阅读，同时也适合用作焊接技术与工程专业学生的课程教材或教学参考书。我相信，该书的出版将对焊接有限元分析的教学研究及工程应用起到重要的促进作用。

江苏科技大学 教授

2019年10月

前言

随着计算机技术的飞速发展，涌现出了许多通用和专用的科学研究和工程应用软件。ANSYS是最为通用和有效的商用有限元软件之一，同时也引领着有限元的发展趋势，并为全球工业界广泛接受；它融结构、传热、流体和电磁分析于一体，具有极为强大的前后处理及计算分析能力。

ANSYS是一个知识密集型的复杂高科技产品，版本更新较快，已经出版的中文资料很多，但它们多偏重于介绍ANSYS软件的基本操作和基础理论，仅是让读者快速地熟悉ANSYS软件的界面和基本功能。尽管有一些书籍对ANSYS在工程领域的应用做了一些介绍，但是对于该软件在材料连接（焊接）方面的介绍还是很少，特别是关于材料连接（焊接）的案例更少。网上的资料虽然比较丰富，但是缺乏完整性和系统性。读者要解决复杂的科学的工程应用方面的材料连接性问题，仅靠现有的ANSYS入门材料和简单的工程案例是远远不够的。于是，为了帮助焊接专业的读者尽快提高ANSYS软件用于材料连接的实战水平，我们编写了这本《焊接有限元技术》。

本书共分为16章，第1章～第6章主要介绍ANSYS基本操作、实体建模、网格划分和后处理等基本功能及相关操作步骤；第7章、第8章主要介绍ANSYS命令流与参数化设计语言方面的知识，以及ANSYS在焊接工程中的有限元分析，特别是在温度场、应力场及耦合场的应用；第9章～第16章主要介绍与材料连接（焊接）相关的工程案例。

本书分别介绍了ANSYS软件的使用功能及基本操作、有限元理论的基础知识、命令流及APDL的相关知识以及材料连接的工程实践案例。本书通过详细的工程实例，并结合一些解决实际问题的相关经验技巧，融合GUI和APDL两种方式，向读者展示了如何建模、分析计算以及处理结果。全部案例均来自科学研究和工程实践，其中有部分案例参考网上资料和书中提到的参考书籍。

本书由南京工程学院初雅杰主编，山东建筑大学刘鹏、安徽工业大学马群双、南京工程学院李晓泉、江苏双勤新能源科技有限公司夏浩担任副主编。各部分编写分工如下：初雅杰编写第1章～第4章，刘鹏编写第5章、第6章，马群双编写第7章、第8章，李晓泉编写第9章、第10章，夏浩编写第11章、第12章，江苏双勤新能源科技有限公司李勤峰编写第13章，江苏科技大学赵勇编写第14章，江苏科技大学许详平编写第15章，江苏东华测试技术股份有限公司沈劲松编写第16章。南京工程学院王思远、何秀男、许昕童、李建、郑基伟等参与完成本书实例部分建模、模拟分析、试验及文稿修改等工作，全书由初雅杰统稿。书末所列参考文献对本书的编写起了重要的参考作用，在此谨向相关作者表示感谢。

本书可以作为焊接、材料成型专业高校本科生和研究生、科研院所科研人员的参考用书，亦可作为广大工程技术人员的参考用书。读者可在www.cipedu.com.cn搜索“焊接有限元技术”下载本书代码。

由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，敬请读者批评指正。

编者

2019年9月

第1章　有限元基础

1.1　有限元产生的背景

20世纪40年代，航空事业的飞速发展对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻、强度高并且刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算。在这一背景下，在工程中逐渐产生了矩阵分析法。

1954～1955年，德国斯图加特大学的Argyris在《航空工程》杂志上发表了一组能量原理和结构分析论文，为有限元研究奠定了重要的基础。

1956年，波音公司研究人员在纽约举行的航空学会年会上介绍了将矩阵分析法推广到求解平面应力问题上，即把结构划分成若干个三角形或矩形“单元”，在单元内采用近似位移插值函数，建立单元节点力和节点位移关系的单元刚度矩阵，最终得到正确的解答。

1960年，Clough在他的名为The Finite Element in Plane Stress Analysis的论文中首次提出了有限元（Finite Element）这一术语。

1963年前后，J.F.Besseling、R.J.Melosh、R.E.Jones、R.H.Gallaher和T.H.H.Pian在有限元方面做了许多工作，认识到有限元法其实就是变分原理中Ritz近似法的一种变形，之后发展了用各种不同变分原理导出的有限元计算公式。

1965年，O.C.Zienkiewicz和Y.K.Cheung发现只要能写成变分形式的所有场问题，都可以用与固体力学有限元法相同的步骤进行求解。

1967年，Zienkiewicz和Cheung出版了第一本有关有限元分析的专著。

1969年，B.A.Szabo和G.C.Lee指出可以用加权余量法，特别是Galerkin法导出标准的有限元过程来求解非线性结构问题。

1970年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题。Oden于1972年出版了第一本关于处理非线性连续体的专著。

20世纪60年代初期，我国力学工作者陈伯屏（结构矩阵方法）、钱伟长、胡海昌（广义变分原理）、冯康（有限单元法理论）等人在大型水坝应力计算的基础上，独立于西方创造了有限元方法并奠定了其理论基础。

结构分析的有限元方法是由一批工业界和学术界的研究学者在20世纪50～60年代创立的，主要思路来源于固体力学结构分析矩阵位移法和工程结构相似性的特点，对于不同的结构件和所受的载荷，求解时都能得到统一的矩阵公式。从固体力学的角度看，桁架结构等标准离散系统与人为分割成有限个单元的非标准连续系统在结构上存在一定相似性，可以把杆系结构分析的矩阵法推广到非杆系结构的求解。

在此过程中，数学家们则发展了微分方程的近似解法，包括有限差分方法、变分原理和加权余量法。

1.2　有限元分析的作用及应用领域

有限元方法是处理各种复杂工程问题的重要分析手段，也是进行科学研究的重要工具。利用有限元分析可以获取几乎任意复杂工程结构的各种机械性能信息，可以直接就工程设计进行各种评判及优化，提高产品质量。如果人们有先进的精确分析手段，一个新产品的问题有60%以上就可以在设计阶段消除。目前，国际上有90%以上的机械产品和装备都要采用有限元方法进行分析，进而进行设计修改和优化。有限元分析已成为替代大量实物试验的数值化“虚拟试验”，基于该方法的大量计算分析与典型的验证性试验相结合可以做到高效率和低成本。

有限元可以进行以下分析。

（1）结构分析

结构分析是有限元分析方法最常用的一个应用领域。结构是一个广义的概念，包括土木工程结构，如桥梁和建筑物；汽车结构，如车身骨架；海洋结构，如船舶结构；航空结构，如飞机机身等；同时还包括机械零部件，如活塞、传动轴等。结构分析中计算得出的基本未知量（节点自由度）是位移，其他的一些未知量，如应变、应力和反力可通过节点位移导出。

结构分析主要分为：静力分析和动力分析。

① 静力分析 用于静态载荷，可以考虑结构的线性及非线性行为，例如大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等。

② 动力分析 包括质量和阻尼效应、模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析等，可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为，也可模拟冲击、碰撞、快速成型等。

（2）热分析

热分析用于计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度等。热分析之后往往进行结构分析，计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力。热分析考虑的物理量有热量的获取和损失、热梯度、热通量。热分析可模拟三种热传递方式：热传导、热对流、热辐射，分为稳态分析和瞬态分析。稳态分析：忽略时间效应；瞬态分析：确定以时间为函数的温度值等，并可模拟相变（熔化及凝固）。

（3）电磁分析

电磁分析用于计算电磁装置中的磁场。静态磁场及低频电磁场分析模拟由直流电源、低频交流电或低频瞬时信号引起的磁场，例如螺线管制动器、电动机和变压器等。磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力和磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等。

（4）流体分析

流体分析用于确定流体的流动及热行为，可以处理不可压缩或可压缩流体、层流和湍流以及多组分流等，作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力、超音速喷管中的流场和弯管中流体的复杂三维流动等。

（5）耦合场分析

耦合场分析考虑两个或多个物理场之间的相互作用，例如热-应力分析、压电分析（电场和结构）、声学分析（流体和结构）、热-电分析、感应加热（磁场和热）和静电-结构分析。因为两个物理场之间相互影响，所以单独求解一个物理场是不可能的。因此需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。

1.3　有限元的基本解题思想

在许多实际工程问题中，由于问题的复杂性和众多影响因素，一般情况下难以得到分析系统的精确解，即解析解。因此，解决这个问题的基本思路是在满足工程需要的前提下，采用数值分析方法来得到近似解，即数值解。解析解表明了系统在任何点上的精确行为，而数值解只在称为节点的离散点上近似于解析解。

数值解法可以分为两类：有限差分法和有限单元法（或称有限元法）。有限元法是目前采用最多的一种数值方法，它是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，是对一个真实的系统用有限个“单元”进行描述，用有限数量未知量的模型去逼近无限未知量的真实系统。有限元模型是真实系统理想化的数学抽象，如图1-1所示。

图1-1　实体模型和有限元模型

每一个单元都有确定的方程来描述在一定载荷下的响应，模型中所有单元响应的“和”给出了设计的

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