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金成 著

图书标签:

• 焊接
• 数值模拟
• 有限元
• 计算流体力学
• 传热学
• 材料力学
• 金属材料
• 焊接工艺
• 模拟仿真
• 工程应用

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030551030

版次：1

商品编码：12251511

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-11-01

用纸：胶版纸

页数：200

字数：267000

正文语种：中文

内容简介

　　焊接是一个涉及电弧物理、传质传热、力学、冶金与材料学等多物理场耦合的复杂过程，影响因素繁多。随着计算机科技的快速发展，焊接数值模拟技术得到了越来越广泛的关注和应用。
　　《焊接过程的数值模拟》以“理论介绍一数值模拟实现方法一具体应用案例”为主线，结合通用数值模拟软件及实用的算例，对多种常见焊接方法及焊接过程中涉及的热、力、微组织相变、电弧及溶池流体等诸多物理过程给出了数值模拟实现方法。
　　《焊接过程的数值模拟》理论讲解详细深入，实例内容丰富、可操作性强，可作为高等院校焊接技术与工程及其相关专业本科生及研究生学习焊接数值模拟技术和相关软件的教材，也可供广大焊接工程技术人员学习和参考。

内页插图

目录

第1章 绪论
1．1 焊接物理过程的复杂性
1．2 数值模拟的基本概念与步骤
1．3 数值方法与数值模拟软件
1．4 焊接数值模拟的内容
1．5 焊接数值模拟的意义与发展概况

第2章 焊接物理过程基础
2．1 焊接热过程
2．1．1 常用焊接热源及热效率
2．1．2 焊接热源模型
2．1．3 焊接温度场及传热定律
2．2 焊接应力与材料力学本构
2．2．1 焊接残余应力的产生
2．2．2 材料的率无关弹塑性本构
2．3 接头热影响区微观组织演化
2．3．1 接头微观组织演化简介
2．3．2 相变描述方法
2．3．3 相变模型
2．4 焊接电弧与焊接熔池
2．4．1 焊接电弧
2．4．2 焊接熔池

第3章 有限元软件基础
3．1 Abaqus软件基础
3．1．1 Abaqus软件简介
3．1．2 Abaqus帮助文档
3．2 Abaqus的初步使用
3．2．1 Abaqus分析的基本步骤
3．2．2 Abaqus／CAE简介
3．2．3 Abaqus／CAE的功能模块
3．3 Abaqus中的单位体制
3．4 Abaqus中的单元
3．4．1 单元的分类
3．4．2 单元的表征与命名
3．4．3 单元的选择
3．5 Abaqus的主要文件类型
3．6．inp文件
3．6．1．inp文件的组成
3．6．2．inp文件的结构
3．6．3．inp文件的语法格式
3．6．4．inp文件的修改
3．6．5．inp文件的执行
3．7 Abaqus用户子程序文件
3．7．1 Abaqus用户子程序
3．7．2 用户子程序的编写
3．7．3 用户子程序的执行
3．8 ANSYSFluent软件简介
3．9 nuent计算流程
3．1 0nuent的初步使用
3．1 0．1 Fluent的启动与主界面
3．1 0．2 Fluent读入与检查网格
3．1 0．3 物理模型的选择
3．1 0．4 材料属性设置
3．1 0．5 相的设定
3．1 0．6 计算域条件设定
3．1 0．7 边界条件设定
3．1 0．8 动网格设置
3．1 0．9 参考值设置
3．1 0．1 0求解器算法设置
3．1 0．1 1求解参数设置
3．1 0．1 2求解监视窗口设置
3．1 0．1 3初始化设置
3．1 0．1 4运算设置
3．1 0．1 5运行计算设置
3．1 0．1 6结果设置
3．1 1Fluent用户自定义程序
3．1 1．1 UDF概述
3．1 1．2 Fluent中的网格拓扑
3．1 1．3 UDF中的自定义函数
3．1 1．4 编译与加载UDF
3．1 2用户自定义内存变量
3．1 3用户自定义标量

第4章 焊接热力模拟一一热弹塑性法
4．1 热弹塑性法的基本假设
4．2 热源参数及材料性能参数
4．3 模拟过程中需要注意的问题
4．3．1 热力耦合方式的选取
4．3．2 热源模型的选择与校核
4．3．3 有限元网格大小的选取
4．4 电弧焊接热力耦合综合实例
4．4．1 问题描述
4．4．2 问题分析
4．4．3 Abaqus／CAE温度场分析过程
4．4．4．Abaqus／CAE应力场模拟分析过程

第5章 焊接热力模拟一一固有应变法
5．1 固有应变法的基本理论
5．1．1 固有应变的基本概念
5．1．2 固有应变法与热弹塑性法的关系
5．1．3 固有应变法的解析计算
5．1．4 固有应变法的有限元计算
5．2 固有应变参数的确定
5．2．1 纵向固有应变系数的确定
5．2．2 横向固有应变系数的确定
5．3 固有应变的施加区域
5．4 多道焊的固有应变
5．5 T形接头的纵向固有应变
5．6 固有应变法平板堆焊综合实例
5．6．1 问题描述
5．6．2 问题分析
5．6．3 Abaqus／CAE分析过程

第6章 特种焊的数值模拟
6．1 点焊过程的数值模拟
6．1．1 电阻点焊过程的特点
6．1．2 点焊数值模拟分析方法的演化过程
6．2 点焊热．力．电耦合模拟综合实例
6．2．1 问题描述
6．2．2 问题分析
6．2．3 Abaqus热．力．电耦合分析过程
6．3 搅拌摩擦焊的数值模拟
6．3．1 搅拌摩擦焊简介
6．3．2 搅拌摩擦焊的数值模拟方法
6．4 搅拌摩擦焊动力学模拟实例
6．4．1 问题描述
6．4．2 问题分析
6．4．3 搅拌摩擦焊动力学分析过程

第7章 焊接热影响区组织模拟
7．1 焊接热影响区组织转变与Mbldy模型
7．2 低合金钢焊接热影响区组织演变模拟实例
7．2．1 问题描述
7．2．2 问题分析与思路
7．2．3 子程序编制要点
7．2．4 焊接热影响区相变模拟具体过程

第8章 焊接电弧及熔池的流体力学模拟
8．1 焊接电弧的流体力学模拟
8．1．1 电弧等离子体的特点与基本假设
8．1．2 电弧控制方湲
8．2 TIG焊电弧流体力学模拟综合实例
8．2．1 问题描述
8．2．2 问题分析
8．2．3 TIG焊电弧流体力学模拟过程
8．3 焊接熔池的流体力学模拟
8．3．1 焊接熔池的流体特点与基本假设
8．3．2 焊接熔池控制方程
8．4 等离子．MIG复合焊熔池流体力学模拟实例
8．4．1 问题描述
8．4．2 问题分析
8．4．3 复合焊接电弧．熔池流体力学模拟过程

附录
参考文献

前言/序言

　　人类利用焊接技术已有上千年的历史，然而对焊接过程的科学认识仍在孜孜探索。焊接方法多种多样，焊接过程又是一个涉及电弧物理、传质传热、冶金和力学行为的复杂过程。单纯依靠理论研究或实践实验，有时很难对焊接过程涉及的物理现象进行定量的、科学的认识和把握。随着计算机软硬件技术的发展，数值模拟技术已经渗透到焊接的各个研究领域，在航空航天、军工、能源、交通等领域，关键部件焊接过程仿真技术的实现，对优化工艺过程、提高产品质量和消除安全隐患起着日益重要，甚至不可替代的作用。
　　时至今日，焊接数值模拟技术虽已发展多年，有了长足进步，但是对于大多数初学者而言，仍显得门槛过高。本书从多个侧面对复杂的焊接过程进行分解，并附以基础实例分析，力求使广大焊接专业的学生和从业者从中受益。
　　由于篇幅所限，本书不求、也无法包括焊接数值模拟的所有领域，仅就焊接过程的几个最基本的方面，在有限元数值模拟范畴内进行探讨；旨在为读者提供焊接数值模拟领域最基本的认识，使读者掌握基本的技能，并能通过计算软件解决焊接工作中的实际问题。
　　全书共8章，第1章简要介绍焊接物理过程的特点及焊接数值模拟的基本方法、内容及意义。第2章系统阐述焊接过程中涉及的几大物理过程及其数学描述，为焊接过程的数值模拟打下理论基础。第3章介绍应用数值模拟软件进行焊接过程模拟的基本步骤与基础操作。第4～8章为具体应用案例。其中第4章介绍焊接热力模拟过程中的热弹塑性法及其应用，对电弧焊接温度场、应力场及焊后变形的模拟计算给出了详细的说明。第5章介绍焊接固有应变法的基本原理、有限元数值模拟实现方法及典型案例。第6章介绍两种常用的特种焊——电阻点焊与搅拌摩擦焊的数值模拟方法。第7章介绍焊接热影响区组织相变的有限元模拟方法。第8章介绍焊接电弧及熔池的流体力学模拟。
　　本书选取典型案例，并对各焊接过程的数值模拟配以相关程序和操作过程的详细说明，读者可自行练习。在编写本书的过程中，作者引用和借鉴了部分专家学者的书籍、论文及一些研究生的工作内容，在此一并表示感谢。同时，感谢国家自然科学基金项目资助（项目编号：51105049）和国家留学基金资助（项目编号：201508210032），以及深圳国家超算中心提供软硬件平台。

熔炼的艺术与科学：深入解析焊接工艺的奥秘 焊接，作为连接金属材料最普遍且至关重要的方法之一，在现代工业制造领域扮演着不可或缺的角色。从宏伟的桥梁建筑到精密的电子元器件，从庞大的航空航天器到日常所需的家用电器，无不依赖于焊接技术来实现其结构 integrity 和功能完备。然而，焊接并非仅仅是将金属加热至熔融状态再使其冷却固化这么简单。它是一个复杂的热力学、动力学、材料科学以及工程力学等多学科交叉作用的过程。每一次成功的焊接，都凝聚着对物理化学原理的深刻理解，以及对工艺参数的精准控制。 本书，《焊接过程的数值模拟》，并非直接探究具体焊接方法的实践操作，也非详述各种焊接设备的性能参数。它的核心在于揭示焊接过程中隐藏在肉眼不可见层面的物理现象，并通过一种强大的、现代化的工具——数值模拟，来深入理解和预测这些现象。本书旨在为读者提供一个全新的视角，去审视焊接的本质，去量化其内在的驱动力，去预知其潜在的行为。 为什么我们需要数值模拟来理解焊接？ 传统的焊接工艺开发和质量控制，往往依赖于大量的实验验证和经验积累。这不仅耗时耗力，而且在面对新材料、新工艺或者极端工况时，其局限性愈发凸显。焊接过程中涉及的温度场分布、热应力与变形、熔池的形成与流动、以及相变与微观组织演化等关键因素，都受到多种复杂因素的影响，例如： 热输入与传导： 电弧、激光、电子束等能量源在材料上的能量分布、焊接速度、预热和后热处理等都会直接影响焊缝区域的温度梯度。 材料属性： 不同金属材料及其合金在不同温度下的导热系数、比热容、热膨胀系数、熔点、潜热等物理性质，是热传导和相变的基础。 几何形状与尺寸： 工件的厚度、形状、连接方式（搭接、对接、角接等）都会影响热量的积聚和散失，从而影响温度场的分布。 环境因素： 焊接环境的温度、湿度、气流等也会对热量损耗产生一定影响。 约束条件： 焊接过程中，工件的固定方式和外部约束会显著影响焊接变形的程度和类型。 这些因素的相互作用，使得通过简单计算或直观观察难以完全把握焊接过程的细微之处。而数值模拟，正是为解决这类复杂问题而生的。它通过建立数学模型，将物理过程转化为一系列方程，然后利用计算机强大的计算能力，将连续的物理场离散化，从而求解这些方程，最终得到各个物理量在空间和时间上的分布。 本书将带您深入探索的数值模拟领域： 本书的重点将围绕如何利用数值模拟技术来解析焊接过程中的关键物理现象展开，主要包括以下几个核心方面： 1. 热-结构耦合分析： 焊接是一个典型的热-结构耦合过程。高温会引起材料膨胀，当温度下降时，又会发生收缩。这种不均匀的加热与冷却，导致了焊缝区域产生内应力，进而引发焊接变形，甚至可能导致裂纹等缺陷。本书将详细介绍如何建立包含热源模型、材料热物性参数以及边界条件的热分析模型，并将其与结构力学模型相结合，实现对焊接过程中温度场、应力场和位移场的精确预测。您将了解到如何选择合适的热源模型来准确描述能量输入，如何处理材料在高温下的非线性行为，以及如何捕捉由温度变化引起的应力松弛和变形。 2. 流体力学与传热的耦合： 在熔焊过程中，液态金属熔池的流动行为对焊缝的成形、气孔等缺陷的产生有着至关重要的影响。熔池的流动受到浮力、电磁力（如电弧焊中的洛伦兹力）、表面张力梯度以及焊接过程中产生的气体产生的气泡等多种力的作用。本书将深入探讨如何利用计算流体力学（CFD）方法来模拟熔池的对流、对流与传热的耦合作用，从而揭示熔池的动态行为，理解熔滴的过渡机制，以及预测焊缝内部的温度和成分分布。您将学习到如何建立包含Navier-Stokes方程、能量方程以及相关源项的流体模型，并理解表面张力、浮力等关键物理效应在模型中的体现。 3. 相变与微观组织演化模拟： 焊接过程伴随着材料的相变，例如奥氏体向铁素体、珠光体、贝氏体或马氏体的转变，或固液两相的转变。这些相变的发生与温度、冷却速率以及材料成分密切相关，它们直接决定了焊缝最终的微观组织和力学性能。本书将介绍如何将相变动力学模型（如CCT曲线、TTT曲线的应用）融入数值模拟中，预测不同区域的相变发生时刻、相变产物的种类和比例，以及由此带来的材料性能变化。这有助于在焊接前就预判焊缝的组织特性，从而指导工艺优化，以获得所需的材料性能。 4. 考虑复杂几何与边界条件： 实际的焊接应用场景往往涉及复杂的工件几何形状和多样的约束条件。本书将演示如何处理这些复杂性，例如通过三维建模来精确描述工件的几何形状，以及如何定义不同类型的边界条件，包括固定约束、移动约束、以及不同传热系数的表面。您将学习到如何将CAD模型无缝导入数值模拟软件，以及如何有效地设置边界条件以准确反映实际工况。 5. 模型验证与参数优化： 数值模拟的可靠性离不开与实验结果的对比验证。本书将强调模型验证的重要性，并介绍常见的验证方法，例如通过实验测量焊缝温度、变形量等关键参数，然后与模拟结果进行比对，以评估模型的准确性。在此基础上，本书还将探讨如何利用数值模拟进行参数优化，例如通过参数扫描或优化算法，寻找最优的焊接工艺参数组合，以最小化焊接变形、提高焊缝质量或获得特定的材料性能。 本书的读者定位与价值： 本书的目标读者是所有对焊接过程的深层原理感兴趣的工程技术人员、科研人员、以及相关专业的学生。这包括但不限于： 焊接工程师： 希望通过数值模拟工具来优化焊接工艺、解决实际焊接难题、预测焊接缺陷的工程师。 材料科学家和工程师： 关注焊接过程中材料相变、组织演化以及性能变化，并希望利用模拟手段来理解和控制这些过程的研究者。 结构工程师： 需要评估焊接结构在承受载荷时的应力分布和变形情况，并希望了解焊接应力来源及影响的工程师。 仿真技术人员： 致力于将数值模拟应用于焊接领域的专业技术人员。 高等院校相关专业的学生： 希望深入学习焊接力学、传热学、流体力学以及数值模拟技术的学生。 通过阅读本书，您将能够： 建立对焊接过程物理现象的深刻理解： 从宏观的温度场和变形，到微观的熔池流动和相变，您将拥有一个更全面、更精细的认识。 掌握应用数值模拟工具进行焊接分析的基本原理和方法： 您将学习如何选择合适的仿真软件，如何建立和求解焊接过程的数学模型。 提升解决实际焊接问题的能力： 能够利用模拟结果指导工艺设计，预测潜在问题，并提出有效的解决方案。 为焊接工艺的创新和优化提供理论支持： 能够基于模拟预测，探索新的焊接方法和材料组合。 为进一步深入研究焊接领域的先进技术奠定坚实基础： 例如，理解如何将更复杂的物理模型（如裂纹萌生模型、材料疲劳模型）集成到焊接模拟中。 《焊接过程的数值模拟》，是一次对焊接工艺背后深刻科学原理的系统探索。它将带领您超越传统的实验与经验，进入一个由精确数学模型和强大计算能力驱动的全新认知领域。本书的价值在于，它不仅教会您“如何做”，更重要的是让您理解“为何如此”。通过数值模拟的视角，您将能够以前所未有的深度和广度，洞察焊接的每一个细节，从而在复杂而精密的焊接世界中，游刃有余。

评分☆☆☆☆☆

翻开这本书，我仿佛踏入了一个由代码和算法构建的奇妙世界。作为一名对前沿技术充满好奇的读者，我对“数值模拟”这个词一直抱有浓厚的兴趣，而这本书则将这个概念完美地融入了焊接这一传统工艺之中。作者以一种极其创新的方式，将复杂的焊接过程“可视化”了。我们不再需要凭空想象电弧的形成、熔池的翻滚，而是可以通过屏幕上跳跃的数据和逼真的图像，直观地感受到这一切。从熔化金属的流动轨迹，到热应力的分布情况，再到微观组织的变化，每一个细微的环节都被模拟得惟妙惟肖。这本书让我认识到，焊接不仅仅是依靠经验和感觉，更是一门可以通过科学计算来预测和优化的工程技术。作者在讲解各种数值算法和模型时，并没有回避其背后的数学原理，但却以一种易于理解的方式呈现，使得即使是之前对这方面接触不多的读者，也能逐步掌握。它让我看到了焊接技术未来的发展方向，那就是更加智能化、精细化，并且更加绿色环保。这本书绝对是那些想要深入了解焊接技术本质，并站在技术前沿的读者不容错过的佳作。

评分☆☆☆☆☆

这本书的出现，简直是解了我燃眉之急！作为一名在生产一线摸爬滚打了多年的工程师，我常常在面对一些复杂的焊接难题时感到力不从心。传统的经验主义虽然有其价值，但在面对新材料、新工艺、以及越来越严苛的质量要求时，往往显得捉襟见肘。这本书，它就像是一位经验丰富的导师，用一种全新的视角，带领我重新审视焊接的每一个环节。作者将抽象的物理化学过程，通过严谨的数值模拟手段，转化为可视化的数据和图像，让我能够清晰地看到电流、温度、材料特性等因素是如何相互作用，最终影响焊缝的组织和性能。尤其是一些关于热输入控制、变形预测的章节，简直是为我量身定做的。我尝试着将书中介绍的仿真方法应用到实际问题中，效果出奇的好。通过模拟，我能够提前预判潜在的缺陷，并及时调整焊接参数，大大降低了试错成本，也提升了产品合格率。这本书的价值，不仅仅在于它提供的理论知识，更在于它教会了我一种解决问题的方法论，一种用科学和数据武装头脑的思维方式。它让我从一个“经验派”逐渐向“科学派”转变，对焊接行业的未来充满了信心。

评分☆☆☆☆☆

当我拿到这本书的时候，内心是既期待又忐忑的。我对焊接过程的数值模拟这个概念一直很感兴趣，但同时也担心其中涉及的数学模型和计算方法会过于晦涩难懂。然而，事实证明我的担忧是多余的。作者在构建理论体系的时候，非常注重逻辑性和连贯性，从基础的传热学、流体力学原理出发，逐步引入数值离散方法，再到具体的焊接模型构建。每一步都讲解得清晰明了，并且巧妙地穿插了大量的图表和算例，使得原本枯燥的数学公式变得生动起来。我特别欣赏作者在描述不同模拟软件和算法时的客观公正，既指出了它们的优势，也坦诚了其局限性，让读者能够根据实际需求做出选择。这本书给我最大的启发在于，它不再将焊接过程看作是一个黑箱，而是将其分解成一系列可控的变量和可预测的物理现象。通过对这些变量进行精确的控制和优化，我们可以实现对焊接质量的精准把控。这本书不仅是工程师的案头必备，我相信对于那些正在从事相关领域研究的学者和学生来说，也具有极其重要的参考价值。它就像一座桥梁，连接了理论研究与工程实践，为焊接技术的发展注入了新的活力。

评分☆☆☆☆☆

这本书，与其说是一本技术书籍，不如说是一次思维的启蒙。我一直认为，焊接作为一种基础的制造工艺，其背后的理论深度常常被低估。而这本书，则以一种极其震撼的方式，向我展示了焊接过程的复杂性和精妙之处。作者将看似简单的焊接操作，拆解成一系列由物理规律主导的化学反应和能量传递过程，并通过强大的数值模拟工具，将这些抽象的概念具象化。读这本书，我仿佛拥有了“上帝之眼”，可以穿梭于焊缝的内部，观察金属的分子如何重排，热量如何在材料中扩散，以及由此产生的应力又将如何改变材料的结构。作者在阐述每一个模拟模型的时候，都详细地解释了其背后的物理依据和数学推导，使得读者不仅知其然，更知其所以然。这对于我这样渴望深入理解事物本质的读者来说，无疑是极大的满足。这本书让我对焊接技术产生了全新的认识，它不再是简单的“粘合”技术，而是一门高度集成化的科学工程。我从中获得的不仅仅是知识，更是一种解决复杂工程问题的科学方法和严谨的治学态度。这本书的价值，绝不仅仅局限于当前的焊接领域，其所倡导的数值模拟思维，在未来的工程技术发展中，必将扮演越来越重要的角色。

评分☆☆☆☆☆

哇，这本书简直是打开了我焊接世界的新维度！一直以来，我总觉得焊接技术是经验的积累，是师傅手把手的传授。但这本书，它让我看到了隐藏在火焰与金属碰撞背后的科学原理。它不仅仅是讲解焊接的“怎么做”，更深入地揭示了“为什么这么做”。从最初的金属熔化、流动，到热影响区的形成，再到残余应力的产生，每一个环节都被作者用严谨的数学模型和精密的数值模拟手法剖析得淋漓尽致。读这本书，就像是在一个虚拟实验室里，可以随意调整焊接参数，观察它们对焊缝质量的影响，这种“所见即所得”的体验，远比单纯的理论学习来得直观和深刻。我尤其喜欢作者在讲解复杂概念时，那种抽丝剥茧般的论证方式，虽然涉及到不少专业术语和公式，但经过作者细致的梳理和类比，即使是初学者也能逐渐领会其精髓。它让我对焊接过程的理解，从感性上升到了理性，为我日后在实际工作中优化焊接工艺、解决疑难杂症提供了强大的理论支撑和科学的解决思路。这本书的出现，无疑是焊接技术发展史上的一个重要里程碑，它让“数据说话”成为可能，也让焊接这门古老的技艺焕发出了新的生命力。