焊接有限元技术——焊接CAE技术与应用（第2版）（初雅杰）

前言
“焊接有限元技术（焊接CAE技术与应用）”是高等本科院校焊接技术与工程专业、材料成型与控制工程专业（焊接方向）的专业课程，主要讲授有限元原理和计算机辅助设计，帮助焊接专业学生利用有限元法对焊接结构件进行应力场、应变场和温度场的分析，在焊接专业本科人才培养中具有重要的地位。
本书注重贯彻“夯实基础，突出应用，培养能力”的基本指导思想，将有限元理论与焊接技术实践相结合，着重加强有限元技术在焊接领域的应用，引入电子封装、热喷涂、冷喷涂、堆焊及对焊等工程实例。通过焊接有限元技术的学习，学生能够获得有限元基础理论知识和数学建模能力，为学习后续课程以及从事有关的工程技术工作和科学研究工作打下一定的有限元基础。与《焊接有限元技术》第1版相比，第2版具有以下突出特点与创新。
（1）将课程思政融入教材中，用整体优化的观点构建本课程的知识体系和内在的逻辑联系。本书将课程思政、学习方法、教学心得融进教材，融入本领域先进技术与前沿知识，能适应不同层次学习者的选用，同时突出对学生工程应用能力和自学及创新能力的培养，符合应用型人才的培养目标。本书既适合于教学也便于自学，实用性强，能从一定程度上激发学生的学习兴趣。
（2）引领和促进教师在教学中贯彻项目教学法或焊接案例教学法。本书各主要章节的开始部分首先以工程案例作为导入内容，以激发学生学习兴趣和积极性，再通过对相关教学内容的介绍，达到使学生理解有限元分析理论和焊接工艺知识的目的。将典型焊接结构件的有限元分析融入教学之中，引导学生学以致用，培养其分析和解决问题的能力。本书编写内容具有创新性，体系结构完整，保留经典内容，融合目前先进焊接技术的各主要方面，体现了行业的新技术、新发展及对焊接人才的新要求，符合专业改革与发展方向。此外，为体现教材内容与实际生产的同步，邀请了企业高管参与编写，大部分的焊接结构和图片来源于实际生产，使本书更好地反映焊接行业的实际生产现状，扩大了学生的视野和知识面。
（3）以“大工程观”为指导，强化知识的工程背景。本书集专业知识、科普知识、行业新技术为一体，插入了大量直观的三维图片、简洁典型的二维图形和图表，图文并茂，可读性、趣味性、实用性强，符合认知规律。
（4）坚持推陈出新，认真处理好新旧教学内容、线上线下资源之间的关系。本书加强了对焊接新材料、新工艺、新技术内容（如3D打印技术、热喷涂、冷喷涂等）的介绍，以适应现代制造业材料成形生产技术水平和发展趋势，帮助学生扩大知识面和增强创新意识，满足应用型人才培养厚基础、强能力的要求。本书课件包括实例视频和部分命令流，读者可扫描二维码查看学习。
本书共分为11章，第1章主要介绍有限元理论知识。第2章主要介绍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3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4章主要介绍ANSYS命令流与参数化设计语言方面的知识。第5章～第11章主要介绍与材料连接（焊接）相关的工程案例。
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，其中部分案例参考了网上资料和本书参考文献。
本书由南京工程学院初雅杰担任主编，南京工程学院徐振钦、张旭，江苏中一环保科技股份有限公司夏浩，苏州迈哲焊接技术有限公司李晓伟担任副主编。各部分编写分工如下：南京工程学院初雅杰编写第1章，江苏中一环保科技股份有限公司夏浩编写第2章和第7章，南京工程学院徐振钦编写第3章，托普工业（江苏）有限公司浦杰编写第4章和第10章，南京工程学院张旭编写第5章和第6章，苏州迈哲焊接技术有限公司李晓伟编写第8章，江苏省特种设备安全监督检验研究院泰州分院戴永成编写第9章，托普工业（江苏）有限公司郭余龙编写第11章。书后所列参考文献为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。
本书可以作为本科、研究生教材，也可供焊接科研人员、工程技术人员参考。
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

第一版前言
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

《焊接有限元技术—焊接CAE技术与应用》（第2版）介绍了有限元理论知识；有限元分析在焊接工程中，特别是在温度场、应力场及耦合场分析中的应用；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；ANSYS命令流与参数化设计语言方面的知识以及材料连接（焊接）有限元分析工程案例。本书可供高等本科院校焊接技术与工程、材料成型与控制工程专业教学使用，也可供焊接科研人员参考。

初雅杰，南京工程学院，教授、智能焊接研究所副所长，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章有限元基础及计算方法1
1.1有限元基础1
1.1.1有限元的作用1
1.1.2有限元软件及在焊接中的应用3
1.2有限元法5
1.2.1有限元法公式的建立6
1.2.2杠杆结构10
1.2.3平面结构13
1.2.4空间结构22
1.3有限元方程组的解法27
1.3.1直接解法28
1.3.2迭代解法31
1.4三峡水利枢纽工程中焊接技术的应用32
练习题33

第2章焊接过程有限元分析34
2.1焊接热源及应力与变形35
2.1.1焊接热源模型及选取36
2.1.2焊接应力与变形37
2.2材料性能及边界条件的影响37
2.3焊接过程有限元仿真38
2.3.1焊接过程温度场模拟分析38
2.3.2焊接过程应力场模拟分析40
2.3.3焊接金属熔敷及凝固的模拟41
2.4基于ANSYS软件的熔焊过程仿真42
2.5天然气输气管道焊接技术50
练习题51

第3章ANSYS软件基础52
3.1ANSYS基础知识52
3.1.1ANSYS模块及单位制的使用52
3.1.2ANSYS图形界面（GUI）的交互操作55
3.1.3ANSYS的数据库操作与文件管理60
3.1.4ANSYS在线帮助及退出62
3.2ANSYS实体建模63
3.2.1基本图元对象的建立64
3.2.2布尔运算及其他操作75
3.2.3从第三方软件中导入模型79
3.2.4实例1——工字梁焊接79
3.2.5实例2——板筒焊接83
3.2.6实例3——圆筒焊接85
3.3ANSYS网格划分87
3.3.1定义单元属性87
3.3.2指定网格控制及生成网格93
3.3.3网格划分方式96
3.4ANSYS加载与求解98
3.4.1载荷种类及加载方式98
3.4.2定义载荷101
3.4.3求解105
3.5ANSYS后处理107
3.5.1结果文件107
3.5.2后处理器108
练习题110

第4章ANSYS命令流与参数化设计语言（APDL）111
4.1ANSYS命令流概述111
4.2ANSYS基本操作命令及流文件分析113
4.2.1命令流基本关键字113
4.2.2前处理器113
4.2.3加载与求解120
4.2.4后处理122
4.2.5流文件分析123
4.3ANSYS参数化设计语言124
4.4宏基础127
4.5编写命令流的良好习惯131
4.6APDL操作练习131
练习题139

第5章粘接封装结构有限元分析140
5.1电子封装工艺简介140
5.2电子封装国内外研究现状141
5.3电子封装的焊料研究142
5.4电子封装面临的工程问题143
5.5芯片与基板粘接组装的有限元分析144
练习题150

第6章方形扁平封装结构有限元分析151
6.1方形扁平封装器件简介151
6.2在温度循环载荷下的有限元分析151
6.3在位移循环载荷下的有限元分析166
练习题171

第7章焊球组装结构有限元分析172
7.1问题描述172
7.2模型建立和参数定义173
7.3实体建模175
7.4加载及求解178
7.5结果分析179
7.6多芯片组件热模拟181

第8章平板堆焊热应力分析199
练习题205

第9章三维焊缝热应力分析206
9.1三维焊缝热应力分析案例206
9.2港珠澳大桥建造中焊接热应力分析的应用213

第10章丁字接头温度场及应力场分析215
10.1生死单元法215
10.2问题描述216
10.3操作步骤216

第11章点焊有限元分析239
练习题242

参考文献243

《焊接有限元技术—焊接CAE技术与应用》（第2版）介绍了有限元理论知识；有限元分析在焊接工程中，特别是在温度场、应力场及耦合场分析中的应用；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；ANSYS命令流与参数化设计语言方面的知识以及材料连接（焊接）有限元分析工程案例。本书可供高等本科院校焊接技术与工程、材料成型与控制工程专业教学使用，也可供焊接科研人员参考。

初雅杰，南京工程学院，教授、智能焊接研究所副所长，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》。