焊接有限元技术

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

《焊接有限元技术》以焊接有限元分析为目的介绍了ANSYS软件的基本操作和实体建模、网格划分、后处理等功能和操作；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。《焊接有限元技术》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。

《焊接有限元技术》以焊接有限元分析为目的介绍了ANSYS软件的基本操作和实体建模、网格划分、后处理等功能和操作；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。《焊接有限元技术》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。

初雅杰，南京工程学院，副教授，作者一直承担焊接技术与工程专业本科生的教学和焊接专业科研任务。主要讲授“焊接结构与变形”“焊接CAE技术与应用”“热加工工艺”等课程。在焊接专业本科人才培养模式、课程体系、教学方法与考核模式等方面一直进行研究与实践，取得较好的研究效果，为焊接专业人才培养提供了较好的理论指导和实践经验。主持校博士研究基金、校重大创新基金，参与国家自然科学青年基金、省自然科学面上基金，荣获省科技进步三等奖1项。主持教改课题“焊接技术与工程专业实践教学体系的改革与实践”，主持教研课题“焊接CAE技术与应用课程线上线下混合教学方法研究”。

第1章　有限元基础 1

1.1　有限元产生的背景 1

1.2　有限元分析的作用及应用领域 2

1.3　有限元的基本解题思想 3

1.4　有限元常用软件简介 5

1.5　有限元软件在焊接中的应用 6

第2章  ANSYS软件基础 9

2.1  ANSYS软件的模块组成 9

2.2  ANSYS单位制的使用 12

2.3  ANSYS图形界面的交互操作（GUI） 12

2.4　ANSYS的数据库操作与文件管理 18

2.5  ANSYS在线帮助 20

2.6  ANSYS软件的退出 21

第3章　ANSYS实体建模 22

3.1  有限元实体建模基础 22

3.2  基本图元对象的建立 23

3.2.1  点定义 23

3.2.2  线定义 27

3.2.3  面定义 30

3.2.4  体定义 33

3.3  布尔运算 37

3.3.1  加（Add） 37

3.3.2  粘接（Glue） 37

3.3.3  搭接（Overlap） 37

3.3.4  减（Subtract） 38

3.3.5  切分（Divide） 38

3.3.6  相交（Intersect） 38

3.3.7  互分（Partition） 39

3.4  图元对象的其他操作 39

3.4.1  移动 39

3.4.2  旋转 40

3.4.3  复制 40

3.4.4  镜像 41

3.4.5  删除 41

3.5  从第三方软件中导入模型 42

3.5.1  IGES格式模型的导入 42

3.5.2  SAT格式模型的导入 42

3.6  实例1——工字梁的焊接 42

3.7  实例2——板筒焊接 46

3.8  实例3——圆筒焊缝 48

第4章　ANSYS网格划分 52

4.1  定义单元属性 52

4.1.1  单元类型 52

4.1.2  实常数和截面属性 54

4.1.3  材料属性 55

4.2  指定网格控制及生成网格 58

4.2.1  分配单元属性 58

4.2.2  网格密度控制 60

4.2.3  生成和改变网格 63

4.3  网格划分方式 64

第5章  ANSYS加载与求解 71

5.1  载荷种类及加载方式 71

5.2  定义载荷 74

5.3  求解 84

5.3.1  求解控制及求解器 84

5.3.2  多载荷步求解 87

第6章  ANSYS后处理 88

6.1  后处理概述 88

6.2  结果文件 88

6.3  后处理可用的数据类型 89

6.4  通用后处理器POST1 89

6.5  时间历程后处理器POST26 91

第7章  ANSYS命令流与参数化设计语言（APDL） 93

7.1  ANSYS命令流概述 93

7.2  ANSYS基本操作命令及流文件分析 95

7.2.1  命令流基本关键字 95

7.2.2  前处理器 96

7.2.3  加载与求解 103

7.2.4  后处理操作 105

7.2.5  实用菜单操作 106

7.2.6  流文件分析 108

7.3  ANSYS参数化设计语言（APDL） 109

7.3.1  自定义工具栏 110

7.3.2  定义参数 110

7.3.3  使用参数 110

7.3.4  获取数据库数据 111

7.3.5  数组初步 112

7.4  宏基础 113

7.4.1  控制语句 115

7.4.2  建立宏的技巧 117

7.4.3  关于命令流的注意事项 117

7.5  编写命令流的良好习惯 118

7.6  APDL操作练习 118

第8章  焊接工程有限元分析 127

8.1  焊接过程有限元分析的意义和特点 127

8.2  焊接温度场的分析理论 128

8.2.1  热源计算模型 129

8.2.2  热源计算模型的选取 130

8.3  焊接应力和变形的分析理论 130

8.4  材料性能及边界条件的影响 131

8.5  焊接过程有限元仿真 132

8.5.1  焊接过程温度场模拟分析 132

8.5.2  焊接过程应力场模拟分析 134

8.5.3  焊接金属熔敷及凝固的模拟 135

8.6  基于ANSYS软件的熔焊过程仿真 136

第9章  粘接封装结构有限元分析 145

9.1  电子封装工艺简介 145

9.2  电子封装国内外研究现状 146

9.3  电子封装的焊料研究 147

9.4  电子封装面临的工程问题 149

9.5  芯片与基板粘接组装问题描述 149

9.6  GUI操作 150

第10章  方形扁平封装结构有限元分析 157

10.1  方形扁平封装器件简介 157

10.2  QFP结构焊点在温度循环载荷下的有限元分析 157

10.2.1  Anand黏塑性本构模型 157

10.2.2  材料参数 158

10.2.3  单元类型 159

10.2.4  有限元模型 159

10.2.5  载荷及边界条件 159

10.2.6  分析过程的APDL命令流 160

10.2.7  结果分析 171

10.2.8  结论 172

10.3  QFP结构焊点在位移循环载荷下的有限元分析 172

10.3.1  分析方案 172

10.3.2  分析过程的APDL命令流 172

10.3.3  结果分析 176

10.3.4  结论 177

第11章  焊球组装结构有限元分析 179

11.1  问题描述 179

11.2  模型建立过程和参数定义 180

11.2.1  模型建立过程 180

11.2.2  参数定义 180

11.3  实体建模 182

11.3.1  单元复制得到完整结构 184

11.3.2  边界条件 185

11.4  加载及求解 185

11.5  结果分析 187

第12章  对接接头双面焊温度场及应力场分析 190

12.1  问题描述 190

12.2  操作步骤 191

第13章  丁字接头温度场及应力场分析 203

13.1  生死单元法 203

13.2  问题描述 204

13.3  操作步骤 205

第14章  搅拌摩擦焊有限元分析 212

14.1  问题描述 212

14.2  材料的本构模型 213

14.3  单元的选择 213

14.4  边界条件和载荷 213

14.4.1  热边界条件 213

14.4.2  力学边界条件 214

14.4.3  载荷 214

14.5  GUI操作 214

14.5.1  前处理 214

14.5.2  求解 219

14.5.3  后处理 223

第15章  平板堆焊热应力分析 224

15.1  问题描述 224

15.2  操作步骤 225

第16章  点焊有限元分析 231

16.1  问题描述 231

16.2  操作步骤 231

16.2.1  模型建立 231

16.2.2  点焊和接触的定义 233

16.2.3  加载与求解 233

16.2.4  查看结果 235

参考文献 236

《焊接有限元技术》以焊接有限元分析为目的介绍了ANSYS软件的基本操作和实体建模、网格划分、后处理等功能和操作；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。《焊接有限元技术》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。

初雅杰，南京工程学院，副教授，作者一直承担焊接技术与工程专业本科生的教学和焊接专业科研任务。主要讲授“焊接结构与变形”“焊接CAE技术与应用”“热加工工艺”等课程。在焊接专业本科人才培养模式、课程体系、教学方法与考核模式等方面一直进行研究与实践，取得较好的研究效果，为焊接专业人才培养提供了较好的理论指导和实践经验。主持校博士研究基金、校重大创新基金，参与国家自然科学青年基金、省自然科学面上基金，荣获省科技进步三等奖1项。主持教改课题“焊接技术与工程专业实践教学体系的改革与实践”，主持教研课题“焊接CAE技术与应用课程线上线下混合教学方法研究”。