第1章  緒論 1
1.1  焊接物理過程的復雜性 1
1.2  數值模擬的基本概念與步驟 3
1.3  數值方法與數值模擬軟件 4
1.4  焊接數值模擬的內容 5
1.5  焊接數值模擬的意義與發展概況 6
第2章  焊接物理過程基礎 8
2.1  焊接熱過程 8
2.1.1  常用焊接熱源及熱效率 9
2.1.2  焊接熱源模型 11
2.1.3  焊接溫度場及傳熱定律 16
2.2  焊接應力與材料力學本構 18
2.2.1  焊接殘餘應力的產生 18
2.2.2  材料的率無關彈塑性本構 19
2.3  接頭熱影響區微觀組織演化 22
2.3.1  接頭微觀組織演化簡介 22
2.3.2  相變描述方法 25
2.3.3  相變模型 26
2.4  焊接電弧與焊接熔池 30
2.4.1  焊接電弧 30
2.4.2  焊接熔池 34
第3章  軟件基礎 37
3.1  Abaqus軟件基礎 37
3.1.1  Abaqus軟件簡介 37
3.1.2  Abaqus幫助文檔 38
3.2  Abaqus的初步使用 39
3.2.1  Abaqus分析的基本步驟 39
3.2.2  Abaqus/CAE簡介 40
3.2.3  Abaqus/CAE的功能模塊 41
3.3  Abaqus中的單位體制 46
3.4  Abaqus 46
3.4.1 &nbs的分類 46
3.4.2 &nbs的表征與命名 47
3.4.3 &nbs的選擇 48
3.5  Abaqus的主要文件類型 49
3.6  .inp文件 50
3.6.1  .inp文件的組成 50
3.6.2  .inp文件的結構 50
3.6.3  .inp文件的語法格式 50
3.6.4  .inp文件的修改 52
3.6.5  .inp文件的執行 52
3.7  Abaqus用戶子程序文件 53
3.7.1  Abaqus用戶子程序 53
3.7.2  用戶子程序的編寫 54
3.7.3  用戶子程序的執行 56
3.8  ANSYS Fluent軟件簡介 56
3.9  Fluent計算流程 56
3.10  Fluent的初步使用 57
3.10.1  Fluent的啟動與主界面 57
3.10.2  Fluent讀入與檢查網格 59
3.10.3  物理模型的選擇 59
3.10.4  材料屬性設置 59
3.10.5  相的設定 60
3.10.6  計算域條件設定 60
3.10.7  邊界條件設定 60
3.10.8  動網格設置 61
3.10.9  參考值設置 61
3.10.10  求解器算法設置 61
3.10.11  求解參數設置 62
3.10.12  求解監視窗口設置 63
3.10.13  初始化設置 63
3.10.14  運算設置 63
3.10.15  運行計算設置 64
3.10.16  結果設置 64
3.11  Fluent用戶自定義程序 64
3.11.1  UDF概述 64
3.11.2  Fluent中的網格拓撲 65
3.11.3  UDF中的自定義函數 65
3.11.4  編譯與加載UDF 67
3.12  用戶自定義內存變量 69
3.13  用戶自定義標量 69
第4章  焊接熱力模擬——熱彈塑性法 72
4.1  熱彈塑性法的基本假設 72
4.2  熱源參數及材料性能參數 72
4.3  模擬過程中需要注意的問題 73
4.3.1  熱力耦合方式的選取 73
4.3.2  熱源模型的選擇與校核 73
4.3.3  網格大小的選取 76
4.4  電弧焊接熱力耦合綜合實例 78
4.4.1  問題描述 78
4.4.2  問題分析 78
4.4.3  Abaqus/CAE溫度場分析過程 79
4.4.4  Abaqus/CAE應力場模擬分析過程 89
第5章  焊接熱力模擬——固有應變法 101
5.1  固有應變法的基本理論 102
5.1.1  固有應變的基本概念 102
5.1.2  固有應變法與熱彈塑性法的關繫 103
5.1.3  固有應變法的解析計算 104
5.1.4  固有應變法計算 105
5.2  固有應變參數的確定 106
5.2.1  縱向固有應變繫數的確定 107
5.2.2  橫向固有應變繫數的確定 111
5.3  固有應變的施加區域 111
5.4  多道焊的固有應變 113
5.5  T形接頭的縱向固有應變 114
5.6  固有應變法平板堆焊綜合實例 115
5.6.1  問題描述 115
5.6.2  問題分析 115
5.6.3  Abaqus/CAE分析過程 117
第6章  特種焊的數值模擬 125
6.1  點焊過程的數值模擬 125
6.1.1  電阻點焊過程的特點 125
6.1.2  點焊數值模擬分析方法的演化過程 126
6.2  點焊熱­力­電耦合模擬綜合實例 127
6.2.1  問題描述 127
6.2.2  問題分析 128
6.2.3  Abaqus熱­力­電耦合分析過程 129
6.3  攪拌摩擦焊的數值模擬 140
6.3.1  攪拌摩擦焊簡介 140
6.3.2  攪拌摩擦焊的數值模擬方法 141
6.4  攪拌摩擦焊動力學模擬實例 145
6.4.1  問題描述 145
6.4.2  問題分析 146
6.4.3  攪拌摩擦焊動力學分析過程 146
第7章  焊接熱影響區組織模擬 154
7.1  焊接熱影響區組織轉變與Kirkaldy模型 154
7.2  低合金鋼焊接熱影響區組織演變模擬實例 158
7.2.1  問題描述 158
7.2.2  問題分析與思路 159
7.2.3  子程序編制要點 159
7.2.4  焊接熱影響區相變模擬具體過程 161
第8章  焊接電弧及熔池的流體力學模擬 167
8.1  焊接電弧的流體力學模擬 167
8.1.1  電弧等離子體的特點與基本假設 167
8.1.2  電弧控制方程 168
8.2  TIG焊電弧流體力學模擬綜合實例 170
8.2.1  問題描述 170
8.2.2  問題分析 170
8.2.3  TIG焊電弧流體力學模擬過程 171
8.3  焊接熔池的流體力學模擬 182
8.3.1  焊接熔池的流體特點與基本假設 182
8.3.2  焊接熔池控制方程 183
8.4  等離子­MIG復合焊熔池流體力學模擬實例 184
8.4.1  問題描述 184
8.4.2  問題分析 185
8.4.3  復合焊接電弧­熔池流體力學模擬過程 186
附錄 197
參考文獻 198

人類利用焊接技術已有上千年的歷史，然而對焊接過程的科學認識仍在孜孜探索。焊接方法多種多樣，焊接過程又是一個涉及電弧物理、傳質傳熱、冶金和力學行為的復雜過程。單純依靠理論研究或實踐實驗，有時很難對焊接過程涉及的物理現像進行定量的、科學的認識和把握。隨著計算機軟硬件技術的發展，數值模擬技術已經滲透到焊接的各個研究領域，在航空航天、軍工、能源、交通等領域，關鍵部件焊接過程仿真技術的實現，對優化工藝過程、提高產品質量和消除安全隱患起著日益重要，甚至不可替代的作用。
  時至今日，焊接數值模擬技術雖已發展多年，有了長足進步，但是對於大多數初學者而言，仍顯得門檻過高。本書從多個側面對復雜的焊接過程進行分解，並附以基礎實例分析，力求使廣大焊接專業的學生和從業者從中受益。
  由於篇幅所限，本書不求、也無法包括焊接數值模擬的所有領域，僅就焊接過程的幾個基本的方面，數值模擬範疇內進行探討；旨在為讀者提供焊接數值模擬領域基本的認識，使讀者掌握基本的技能，並能通過計算軟件解決焊接工作中的實際問題。
全書共8章，第1章簡要介紹焊接物理過程的特點及焊接數值模擬的基本方法、內容及意義。第2章繫統闡述焊接過程中涉及的幾大物理過程及其數學描述，為焊接過程的數值模擬打下理論基礎。第3章介紹應用數值模擬軟件進行焊接過程模擬的基本步驟與基礎操作。第4～8章為具體應用案例。其中第4章介紹焊接熱力模擬過程中的熱彈塑性法及其應用，對電弧焊接溫度場、應力場及焊後變形的模擬計算給出了詳細的說明。第5章介紹焊接固有應變法的基本原理數值模擬實現方法及典型案例。第6章介紹兩種常用的特種焊——電阻點焊與攪拌摩擦焊的數值模擬方法。第7章介紹焊接熱影響區組織相變模擬方法。第8章介紹焊接電弧及熔池的流體力學模擬。
  本書選取典型案例，並對各焊接過程的數值模擬配以相關程序和操作過程的詳細說明，讀者可自行練習。在編寫本書的過程中，作者引用和借鋻了部分專家學者的書籍、論文及一些研究生的工作內容，在此一並表示感謝。同時，感謝國家自然科學基金項目資助（項目編號：51105049）和國家留學基金資助（項目編號：201508210032），以及深圳國家超算中心提供軟硬件平臺。
  由於作者專業水平有限，書中不妥之處在所難免，敬請各位專家和學者批評指正。

                                                               作  者