焊接热仿真

分类：热解析 | 综合版 2026-04-06
焊接热理论CAE可视化-技术仿真图
焊接热仿真

焊接热的理论基础

概述

🧑‍🎓

老师！今天是讲焊接热仿真的话题吧？这是什么呢？


🎓

Goldak双椭球体热源焊接输热模型。用于熔融池形状、HAZ宽度、残留应力预测。



🧑‍🎓

哦~，关于双椭球体热源焊接的话题，非常有趣！ 请给我讲更多。


控制方程




$$ q(r) = \frac{6\sqrt{3}Q}{abc\pi\sqrt{\pi}}\exp\left(-3\frac{x^2}{a^2}-3\frac{y^2}{b^2}-3\frac{z^2}{c^2}\right) $$
$$ Q = \eta V I $$



🧑‍🎓

也就是说，焊接热仿真上放松要求的话，后面会吃大亏吧。我牢记在心！


离散化方法

🧑‍🎓

这个方程在计算机上具体怎么求解呢？


🎓

采用有限元法（FEM）进行空间离散化。组装单元刚度矩阵，构建整体刚度方程。


🎓

转换为弱形式（变分形式），采用试验函数和形状函数进行Galerkin法定式化。单元类型选择（低阶单元 vs. 高阶单元、完全积分 vs. 低减积分）直接影响求解精度与计算成本的权衡。




矩阵求解算法

🧑‍🎓

矩阵求解算法具体是什么意思呢？


🎓

通过直接法（LU分解、Cholesky分解）或迭代法（CG法、GMRES法）求解线性方程组。大规模问题采用预处理迭代法效果显著。



求解方法分类内存使用适用规模
LU分解直接法O(n²)中小规模
Cholesky分解直接法（对称正定）O(n²)中小规模
PCG法迭代法O(n)大规模
GMRES法迭代法O(n·m)大规模、非对称
AMG预处理前处理O(n)超大规模
🧑‍🎓

也就是说，有限元法上放松要求的话，后面会吃大亏吧。我牢记在心！


商用工具中的实现

🧑‍🎓

那么，焊接热仿真可以用什么软件呢？


工具名称开发商/现属主要文件格式
Ansys FluentANSYS Inc..cas, .dat, .msh, .jou
Simcenter Star-CCM+西门子数字工业软件.sim, .java, .csv
Abaqus FEA (SIMULIA)达索系统SIMULIA.inp, .odb, .cae, .sta, .msg
ANSYS Mechanical (原ANSYS Structural)ANSYS Inc..cdb, .rst, .db, .ans, .mac
COMSOL MultiphysicsCOMSOL AB.mph

供应商系谱和产品整合历程

🧑‍🎓

各个软件的来历，是不是都挺有戏剧性的？



ANSYS Fluent

🧑‍🎓

下一个是ANSYS Fluent的话题吧。什么内容呢？


🎓

由Fluent Inc.开发。2006年被ANSYS收购。基于非结构网格的通用CFD求解器。

现属：ANSYS Inc.



Simcenter STAR-CCM+

🧑‍🎓

下一个是Simcenter STAR的话题吧。什么内容呢？


🎓

由CD-adapco开发。2016年被西门子收购，整合到Simcenter品牌。多面体网格为特色。

现属：西门子数字工业软件


🧑‍🎓

听到现在，终于明白开发历史为什么重要了！



Abaqus FEA (SIMULIA)

🧑‍🎓

Abaqus FEA，具体是什么意思呢？


🎓

1978年由HKS（Hibbitt、Karlsson & Sorensen）开发。2005年被达索系统收购，整合到SIMULIA品牌。

现属：达索系统SIMULIA


🧑‍🎓

哦~，开发的故事，非常有趣！ 请给我讲更多。


文件格式和互操作性

🧑‍🎓

不同软件间传递数据时有什么注意事项吗？


格式扩展名种类概述
STEP.stp/.step中立CADISO 10303遵循的3D CAD数据交换格式。形状+PMI支持。
IGES.igs/.iges中立CAD早期CAD数据交换规范。曲面数据互操作性有局限。逐渐向STEP迁移。
CGNS.cgnsCFD数据CFD通用记号系统。CFD结果标准交换格式。
🎓

在不同求解器间转换模型时，需要关注单元类型的对应关系、材料模型的兼容性、荷载和边界条件的表达差异。特别是高阶单元或特殊单元（内聚单元、用户定义单元等）通常无法直接在求解器间转换。


🧑‍🎓

明白了…格式看似简单，但实际上深度很大呢。


实务注意事项

🧑‍🎓

教科书里没有的"现场智慧"有吗？ 想事先了解。


🎓

网格收敛性验证、边界条件合理性验证、材料参数敏感性分析非常重要。


🎓
  • 网格依赖性验证：至少用3个网格密度级别确认收敛性
  • 边界条件合理性：设定物理意义明确的约束条件
  • 结果验证：与理论解、实验数据、已知基准问题对比


    • 🧑‍🎓

    呀，焊接热仿真深度很深呢…… 多亏先生的解说，总算有条理了！


    🎓

    嗯，做得不错哦！ 实际动手操作是最好的学习，有不懂的随时问。


    Coffee Break 闲谈

    高尔德法布的热源模型

    焊接热解析的基础始于1942年Nicholas Rykalinov提出的线热源模型。现代标准是卡尔顿大学Paul Goldak于1984年发表的双椭球体热源模型，用非对称椭球体表现熔融池前方的陡峭温度梯度和后方的缓和分布。该模型标准配置于ANSYS Mechanical、Sysweld、Simufact的全部产品中，输热量参数由电弧电压×电流×热效率η（GTAW：0.6～0.8）计算。

    焊接热的数值计算方法

    数值方法详解

    🧑‍🎓

    具体用什么算法求解焊接热仿真呢？



    🧑‍🎓

    先生讲解得清楚！ 焊接热仿真的疑惑消散了。


    离散化的定式化



    🎓

    用形状函数 $N_i$ 逼近未知量：



    $$ u^h(\mathbf{x}) = \sum_{i=1}^{n} N_i(\mathbf{x}) \, u_i $$




    🎓

    用公式表示就是这样。


    $$ K_e = \int_{\Omega_e} B^T \, D \, B \, d\Omega \approx \sum_{g=1}^{n_g} w_g \, B^T(\xi_g) \, D \, B(\xi_g) \, |J(\xi_g)| $$

    基础方程的离散形式


    🎓

    用公式表示就是这样。


    $$ q(r) = \frac{6\sqrt{3}Q}{abc\pi\sqrt{\pi}}\exp\left(-3\frac{x^2}{a^2}-3\frac{y^2}{b^2}-3\frac{z^2}{c^2}\right) $$
    $$ Q = \eta V I $$

    🧑‍🎓

    嗯……只看公式不太容易理解…… 表示什么呢？


    🎓

    连续体的控制方程离散化后，得到下面的代数方程组：



    $$ [K]\{u\} = \{F\} $$


    🎓

    其中 $[K]$ 是整体刚度矩阵（或对应的系统矩阵），$\{u\}$ 是未知节点变量向量，$\{F\}$ 是外力向量。


    🧑‍🎓

    啊，是那回事！ 连续体的控制方程离散化就是这样的机制呢。


    单元技术

    🧑‍🎓

    "单元技术"听过，但可能理解得不够…


    单元类型次数节点数(3D)精度计算成本
    四面体1阶线性4低（剪切锁定）低
    四面体2阶二次10高中等
    六面体1阶线性8中等中等
    六面体2阶二次20非常高高
    棱柱线性/二次6/15中等~高中等

    积分方案

    🧑‍🎓

    积分方案，具体是什么意思呢？


    🎓
    • 完全积分：全部项精确积分。刚度高估倾向（锁定）
    • 低减积分：积分点数削减。计算效率提高但沙漏模式发生风险
    • 选择性低减积分 (B-bar法)：体积项和偏差项分离积分。回避锁定

      • 🧑‍🎓

      听到现在，终于明白单元类型为什么重要了！


      收敛性和稳定性

      🧑‍🎓

      收敛失败了，最先检查什么？


      🎓
      • h-细分：细分网格（减小单元尺度 h）提高精度
      • p-细分：提高单元多项式次数提高精度
      • hp-细分：同时优化 h 和 p

        • 🎓

        收敛速度：二阶单元误差按 $O(h^2)$ 数量级减少（光滑解的情形）


        🧑‍🎓

        明白了…网格细分看似简单，但实际上深度很大呢。


        求解器设置建议

        🧑‍🎓

        具体用什么算法求解焊接热仿真呢？


        参数推荐值备注
        迭代法收敛判定$10^{-6}$残差范数准则
        预处理手法ILU(0) 或 AMG依问题规模而定
        最大迭代次数1000不收敛时需重新检查设置
        内存模式In-core尽可能采用

        线性单元 vs 2阶单元

        热传导解析通常用线性单元也能获得充分精度。温度梯度陡峭的区域（热冲击等）推荐用2阶单元。

        热流量的评估

        从单元内温度梯度计算。需要与节点应力相同的平滑化处理。

        对流-扩散问题

        Peclet数高（对流支配）时，需要迎风稳定化（SUPG等）。纯热传导问题无需。

        非定常解析的时间步长

        热扩散特征时间 $\tau = L^2 / \alpha$（$\alpha$：热扩散率）应设置足够小的步长。急剧温度变化采用自动时间步长控制有效。

        非线性收敛

        温度依赖物性导致的非线性通常温和，Picard迭代（直接置换法）多数充分。放射的强非线性采用Newton法推荐。

        定常解析的判定

        全节点温度变化低于阈值（$|\Delta T| / T_{max} < 10^{-5}$等）时判定收敛。

        焊接热的实务应用

        实践指南

        🧑‍🎓

        先生，请讲"实践指南"！


        🎓

        阐述焊接热仿真的实务分析流程与注意点。


        🧑‍🎓

        先生讲解得清楚！ 焊接热仿真的疑惑消散了。


        分析流程

        🧑‍🎓

        从第一步开始教我！ 该怎么开始呢？


        🎓

        1. 前处理 (Pre-processing)

        • CAD数据导入和形状简化
        • 材料特性定义
        • 网格生成（单元类型·尺寸决定）
        • 边界条件和荷载条件设置

        🎓

        2. 求解 (Solving)

        • 求解器设置（解法、收敛判定、输出控制）
        • 作业投入和计算执行
        • 收敛监视

        🎓

        3. 后处理 (Post-processing)

        • 结果可视化（位移、应力等其他物理量）
        • 结果验证和合理性确认
        • 报告制作


        网格生成的最佳实践

        🧑‍🎓

        网格的优劣怎么判断？



        单元质量指标

        🧑‍🎓

        "单元质量指标"请讲！


        指标理想值允许范围影响
        长宽比1.0< 5.0精度低下
        雅可比比1.0> 0.3单元退化
        翘曲0°< 15°精度低下
        斜度0°< 45°收敛性恶化
        锥形比0< 0.5精度低下

        网格密度的决定

        🧑‍🎓

        网格密度的决定，具体是什么意思呢？


        🎓
        • 应力集中部：至少排列3层以上单元
        • 应力梯度大的区域：单元尺寸调为周围的1/3～1/5
        • 荷载施加点附近：局部细分
        • 远方区域：粗网格确保计算效率


          • 边界条件设置指南

          🧑‍🎓

          边界条件，听说这里弄错的话整个就完蛋了……


          🎓
          • 过拘束注意：刚体移动的拘束仅6自由度
          • 对称条件活用：计算规模削减
          • 荷载等价分配：集中荷载 vs. 分布荷载选择

            • 🧑‍🎓

            啊，是那回事！ 过拘束注意就是这样的机制呢。


            商用工具別实现步骤

            🧑‍🎓

            各种软件吧？ 各个的特征教我！


            工具名称开发商/现属主要文件格式
            ANSYS FluentANSYS Inc..cas, .dat, .msh, .jou
            Simcenter STAR-CCM+西门子数字工业软件.sim, .java, .csv
            Abaqus FEA (SIMULIA)达索系统SIMULIA.inp, .odb, .cae, .sta, .msg
            ANSYS Mechanical (原ANSYS Structural)ANSYS Inc..cdb, .rst, .db, .ans, .mac
            COMSOL MultiphysicsCOMSOL AB.mph

            ANSYS Fluent

            🧑‍🎓

            下一个是ANSYS Fluent的话题吧。什么内容呢？


            🎓

            由Fluent Inc.开发。2006年被ANSYS收购。基于非结构网格的通用CFD求解器。

            现属：ANSYS Inc.



            Simcenter STAR-CCM+

            🧑‍🎓

            下一个是Simcenter STAR的话题吧。什么内容呢？


            🎓

            由CD-adapco开发。2016年被西门子收购，整合到Simcenter品牌。多面体网格为特色。

            现属：西门子数字工业软件


            🧑‍🎓

            先生讲解得清楚！ 工具名的疑惑消散了。


            常见失败和对策

            🧑‍🎓

            初心者容易犯的失败模式有吗？ 想事先了解。


            症状原因对策
            计算不收敛网格质量不足、不适当的边界条件网格改善、拘束条件见查
            应力异常大应力奇点、网格依赖奇点回避、局部网格细分
            位移非现实材料常数误差、单位系不一致确认输入数据
            计算时间过度不必要的细分、低效解法网格优化、并列计算

            质量保证检查清单

            🧑‍🎓

            教科书里没有的"现场智慧"有吗？


            🎓
            • 用3水准以上网格密度确认网格收敛性了吗
            • 验证力的平衡（反力合计）了吗
            • 确认结果在物理合理范围内了吗
            • 与已知理论解或基准问题对比了吗


              • 🧑‍🎓

              呀，焊接热仿真深度很深呢…… 多亏先生的解说，总算有条理了！


              🎓

              嗯，做得不错哦！ 实际动手操作是最好的学习，有不懂的随时问。


              Coffee Break 闲谈

              造船焊接变形低减事例

              IHI造船（现日本海洋联合）从2000年代初期开始用FEM预测大型LNG油轮的焊接变形，在组立时决定反变形（逆变形）量的实务中活用。对于船体分段面外变形控制在3mm以内的目标，通过优化焊接顺序的仿真和实机计测的误差确认在±1.2mm以内。试验焊接次数从传统的3次削减至1次。

              焊接热的软件比较

              商用工具比较

              🧑‍🎓

              各种软件吧？ 各个的特征教我！


              🎓

              详述支持焊接热仿真的主要商用CAE工具的功能比较和各产品的历史背景。


              🧑‍🎓

              先生讲解得清楚！ 焊接热仿真的疑惑消散了。


              适配工具列表

              🧑‍🎓

              那么，焊接热仿真可以用什么软件呢？


              工具名称开发商/现属主要文件格式
              ANSYS FluentANSYS Inc..cas, .dat, .msh, .jou
              Simcenter STAR-CCM+西门子数字工业软件.sim, .java, .csv
              Abaqus FEA (SIMULIA)达索系统SIMULIA.inp, .odb, .cae, .sta, .msg
              ANSYS Mechanical (原ANSYS Structural)ANSYS Inc..cdb, .rst, .db, .ans, .mac
              COMSOL MultiphysicsCOMSOL AB.mph

              ANSYS Fluent

              🧑‍🎓

              下一个是ANSYS Fluent的话题吧。什么内容呢？


              🎓

              由Fluent Inc.开发。2006年被ANSYS收购。基于非结构网格的通用CFD求解器。

              现属：ANSYS Inc.



              Simcenter STAR-CCM+

              🧑‍🎓

              下一个是Simcenter STAR的话题吧。什么内容呢？


              🎓

              由CD-adapco开发。2016年被西门子收购，整合到Simcenter品牌。多面体网格为特色。

              现属：西门子数字工业软件


              🧑‍🎓

              先生讲解得清楚！ 工具名的疑惑消散了。



              Abaqus FEA (SIMULIA)

              🧑‍🎓

              Abaqus FEA，具体是什么意思呢？


              🎓

              1978年由HKS（Hibbitt、Karlsson & Sorensen）开发。2005年被达索系统收购，整合到SIMULIA品牌。

              现属：达索系统SIMULIA



              ANSYS Mechanical (原ANSYS Structural)

              🧑‍🎓

              "ANSYS Mechanical"请讲！


              🎓

              1970年由Swanson Analysis Systems Inc. (SASI)开发。以APDL（Ansys参数化设计语言）为基础。

              现属：ANSYS Inc.


              🧑‍🎓

              啊，是那回事！ 开发就是这样的机制呢。


              功能比较矩阵

              🧑‍🎓

              预算和时间也都有限，最划算的是哪个？


              功能FluentStar-CCM+AbaqusANSYS Mechanical
              基本功能○○○○
              高级功能○○○△
              自动化/脚本○○○○
              并列计算○○○○
              GPU对应△△△○

              转换时的风险

              🧑‍🎓

              转换时的风险，具体是什么意思呢？


              🎓
              • 单元类型不兼容：求解器固有单元无法用中立格式表现
              • 材料模型差异：同名但内部实装不同的情况存在
              • 边界条件重新定义：多数情况需要手动重新设置
              • 结果数据比较：输出变量定义（节点值 vs. 单元值、积分点值）有差异

                • 🧑‍🎓

                啊，是那回事！ 不同工具间的模就是这样的机制呢。


                许可形式

                🧑‍🎓

                "许可形式"听过，但可能理解得不够…


                工具许可特征
                商用FEA节点锁定/浮动高额但有官方支援
                OpenFOAMGPL无偿但支援付费
                COMSOL节点锁定/浮动模块单位购买
                Code_AsterGPLEDF开发的OSS求解器

                选型指导

                🧑‍🎓

                最后选哪个？ 判定基准教我。


                🎓

                焊接热仿真工具选定时需考虑下面因素：


                🎓
                • 解析规模：数万～数亿DOF的可扩展性
                • 物理模型：必要构成则、单元类型的对应情况
                • 工作流：CAD联动、自动化容易度
                • 成本：初期投资 + 年度保守 + 教育成本
                • 支援：技术支援的质量和响应


                  • 🧑‍🎓

                  呀，焊接热仿真深度很深呢…… 多亏先生的解说，总算有条理了！


                  🎓

                  嗯，做得不错哦！ 实际动手操作是最好的学习，有不懂的随时问。


                  Coffee Break 闲谈

                  焊接解析商用软件四强

                  焊接热解析的商用软件由Sysweld（ESI Group）、Simufact Welding（MSC）、ANSYS Mechanical、Abaqus四个产品占据实务市场。Sysweld自1998年发布以来，在20个国家400多家企业中采用，是业界资深产品。日本国内初创企业Software Cradle从2022年向5家汽车制造商提供"SC/Tetra Welding"测试版，以并列化将仿真时间缩短为传统的1/3为卖点。

                  焊接热的前沿研究

                  前沿主题和研究动向

                  🧑‍🎓

                  焊接热仿真领域以后会怎么进化呢？


                  🎓

                  来看焊接热仿真领域最新的研究动向和先进手法。


                  🧑‍🎓

                  先生讲解得清楚！ 焊接热仿真的疑惑消散了。


                  最新的数值手法

                  🧑‍🎓

                  下一个是最新数值手法的话题吧。什么内容呢？



                  🧑‍🎓

                  嗯……只看公式不太容易理解…… 表示什么呢？


                  🎓
                  • 等几何解析 (IGA)：直接使用NURBS基函数，实现CAD-CAE的无缝联动
                  • 粒子法 (SPH、MPM)：网格自由手法实现大变形、破坏追踪
                  • 位相场法 (Phase-Field)：通过界面的隐式表现实现复杂界面追踪
                  • 机器学习支援：代理模型、物理信息神经网络 (PINN)


                    • 高性能计算 (HPC) 的适配


                    并列化手法概述适用求解器
                    MPI (领域分割)分散内存型。大规模问题的标准全主要求解器
                    OpenMP共享内存型。节点内并列多数求解器
                    GPU (CUDA/OpenCL)GPGPU活用。特别对显式法有效LS-DYNA、Fluent等
                    混合 MPI+OpenMP节点间+节点内并列大规模HPC环境

                    焊接热的故障排除

                    故障排除



                    🧑‍🎓

                    先生讲解得清楚！ 焊接热仿真的疑惑消散了。


                    常见错误和对策

                    🧑‍🎓

                    先生也焊接热仿真调试通宵过吗？（笑）



                    1. 收敛失败

                    🧑‍🎓

                    收敛失败，具体是什么意思呢？


                    🎓

                    症状：求解器无法在指定迭代次数内收敛而异常终止


                    🎓

                    可能的原因：

                    • 网格质量不足（过度畸变的单元）
                    • 材料参数设置不当
                    • 初始条件不当
                    • 非线性性过强（荷载步数不足）

                    🎓

                    对策：

                    • 进行网格质量检查（