焊接常用的有限元计算软件工具

编者按：焊接过程中伴随复杂的热循环与材料相变行为，极易产生残余应力与变形，从而影响构件的尺寸精度与服役性能。为有效预测并控制焊接残余应力与变形，有限元数值模拟技术已成为焊接力学研究的重要手段。该文通过案例分析，综述了焊接常用的有限元模拟软件，包括通用型软件ABAQUS、ANSYS、COMSOL及专业焊接软件SYSWELD和Simufact Welding，可为焊接计算模拟软件的选择与焊接工艺优化提供参考。

             焊接常用的有限元计算软件工具

              天津大学材料学院 谢燕

1、引言：

焊接具有密封性好、接头强度高及结构设计灵活等优点，广泛应用于汽车、船舶、航空航天及大型装备制造等领域。由于焊接过程是局部加热随后又快速冷却，使得焊接构件不可避免地会产生焊接残余应力和变形。焊接残余应力的存在不仅会导致焊接过程中的裂纹产生，而且促使在服役过程中发生脆性断裂、应力腐蚀裂纹和疲劳强度降低。焊接变形不仅会降低构件制造精度，引起构件的装配问题，而且由于矫正构件的变形而增加成本，延长制造周期。因此，焊前如果能够通过理论方法来预测焊接接头的残余应力和变形，将为后续残余应力和变形的控制工作提供重要的理论指导。

随着计算力学与计算机技术的快速发展，有限元数值模拟技术被广泛应用于焊接残余应力与变形预测。目前，焊接模拟软件主要分为通用有限元软件（如ABAQUS、ANSYS、COMSOL）和专用焊接模拟软件（如SYSWELD、Simufact Welding）。前者适用于热-力耦合与多物理场分析，灵活性强但建模复杂；后者则内置焊接工艺模块及材料数据库，可快速定义热源参数与焊接路径，更适用于工程化焊接问题。

本文结合典型研究案例，对常用焊接有限元软件的核心功能与适用场景进行综述，为焊接工艺优化与结构性能分析提供参考。

2 常用的有限元软件介绍

2.1 ABAQUS

ABAQUS由HKS公司开发，是功能强大的通用有限元分析平台，广泛用于非线性焊接问题的热-力耦合分析。

有研究者（案例1）通过热弹-塑性有限元法对GH3030单筒排气管TIG焊接过程进行模拟、验证，并对排气管的两道焊缝设计六种焊接工序进行优化研究，以控制焊接残余应力及焊后变形。结果表明：单筒排气管采用先长后短的焊接顺序和焊接方向相反的工艺方案，其焊接应力更小，焊后变形改善效果显著。如图1（案例2）利用ABAQUS对采用低屈服焊接空心球体的偏心支撑框架在单调及低循环载荷下的力学性能进行了数值分析表明，该结构具有良好的抗震与耗能性能，变形主要集中在框架柱底部、焊接空心球体及梁端薄弱区域。焊接空心球体的壁厚对结构性能影响显著，壁厚增大会提高承载力、刚度和耗能能力，但降低球体变形能力。等效塑性应变分析显示，焊接空心球体与支撑件连接处是结构最易发生断裂的位置。

2.2 ANSYS

ANSYS具有广泛的适用性和成熟的前后处理系统，可用于热、结构及流体场的多物理场分析。

案例3对铝合金航天用舱体结构进行了焊接过程的数值模拟，采用平板结构进行了有限元模型的建立与校核，对舱体结构进行了建模，研究了焊接顺序、焊接工艺参数对焊后最大变形量的影响及构件焊后变形趋势。案例4研究了不等厚2219/5A06异种铝合金电阻点焊的分流特性。试验和ANSYS模拟表明，由于铝合金体积电阻低，增大焊缝间距难以缓解分流效应，提高焊接电流是是抑制分流的主要措施。

2.3 COMSOL

COMSOL以多物理场耦合建模著称，适用于涉及流动、传热、相变及电磁场作用的焊接问题。

案例5利用COMSOL软件建立了匙孔和熔池模型，通过光线追踪算法计算激光能量沉积。该模型能够准确再现实验结果，并揭示了在由热导焊向深熔焊转变过程中，束流俘获与多次反射对焊接稳定性的影响。案例6采用COMSOL对铝合金激光点焊过程进行了模拟，研究了激光脉冲波形对小孔和焊接过程不稳定性的影响。结果表明，曲率效应、Marangoni效应和Darcy阻尼力是导致失稳的主要因素，其中曲率效应和Darcy阻尼力是最主要的因素。

2.4 SYSWELD

SYSWELD是面向焊接与热处理的专业模拟平台，内置热-力-冶金耦合模型及相变数据库，适合预测多道焊接结构的残余应力与组织演化。

案例7通过SYSWELD软件使用热弹塑性有限元法对蒸汽发生器与主泵泵壳的焊接进行了二维模拟与三维模拟，得到整个焊接过程的应力分布与变化。案例8使用SYSWELD软件研究了P92钢多层多道焊接接头的温度场及残余应力场，并通过盲孔法对模拟结果进行了验证。结果表明：模拟得到的接头残余应力沿焊缝中心呈对称分布，与试验结果吻合较好，说明该有限元模拟方法可以准确地预测P92钢多层多道焊接接头的残余应力。

2.5 Simufact welding

Simufact Welding是一款集焊接、增材制造及工艺优化于一体的专业仿真软件，具备焊接顺序优化及变形控制功能。

案例9研究了塔吊标准节焊后变形问题，建立了主弦杆与腹杆三维模型，利用Simufact Welding模拟焊接温度场和工艺过程，分析了变形分布规律。结果表明，焊接区温度迅速升高引起材料热膨胀和变形，影响装配精度。通过降低焊接速度和优化焊接顺序，可有效减小焊缝变形，提升焊接质量与装配精度。

3 结论

通用型有限元软件如ABAQUS、ANSYS和COMSOL具备强大的多物理场分析能力和灵活的建模方式，适合用于复杂耦合过程的机理研究；而专用焊接软件如SYSWELD和Simufact Welding则整合了焊接材料数据库和热源模型，可高效模拟多道焊接、热处理及装配变形等实际工程问题。未来，焊接有限元计算模拟的发展将更加注重高精度热源建模、相变-性能的多尺度耦合，以及人工智能驱动的焊接工艺优化，以实现焊接结构性能的精准预测与可控提升。