焊接有限元技術（簡體書）

《焊接有限元技術》以焊接有限元分析為目的介紹了ANSYS軟件的基本操作和實體建模、網格劃分、後處理等功能和操作；講解了ANSYS命令流與參數化設計語言（APDL）以及ANSYS在溫度場、應力場及耦合場的應用；通過工程實例介紹了電子封裝焊接、電弧焊接、攪拌摩擦焊接和壓力焊接等有限元分析的過程和要點。《焊接有限元技術》部分案例以GUI和APDL兩種方式展開。讀者可以下載命令流程式碼。

初雅傑

南京工程學院，副教授，作者一直承擔焊接技術與工程專業本科生的教學和焊接專業科研任務。主要講授“焊接結構與變形”“焊接CAE技術與應用”“熱加工工藝”等課程。在焊接專業本科人才培養模式、課程體系、教學方法與考核模式等方面一直進行研究與實踐，取得較好的研究效果，為焊接專業人才培養提供了較好的理論指導和實踐經驗。主持校博士研究基金、校重大創新基金，參與國家自然科學青年基金、省自然科學面上基金，榮獲省科技進步三等獎1項。主持教改課題“焊接技術與工程專業實踐教學體系的改革與實踐”，主持教研課題“焊接CAE技術與應用課程在線線下混合教學方法研究”。

《焊接有限元技術》可供高等學校焊接、材料成型與控制工程專業本科、研究生教學使用，也可供焊接、機械製造技術人員參考。

隨著計算機技術的飛速發展，湧現出了許多通用和專用的科學研究和工程應用軟件。ANSYS是最為通用和有效的商用有限元軟件之一，同時也引領著有限元的發展趨勢，並為全球工業界廣泛接受；它融結構、傳熱、流體和電磁分析於一體，具有極為強大的前後處理及計算分析能力。

ANSYS是一個知識密集型的複雜高科技產品，版本更新較快，已經出版的中文資料很多，但它們多偏重於介紹ANSYS軟件的基本操作和基礎理論，僅是讓讀者快速地熟悉ANSYS軟件的接口和基本功能。儘管有一些書籍對ANSYS在工程領域的應用做了一些介紹，但是對於該軟件在材料連接（焊接）方面的介紹還是很少，特別是關於材料連接（焊接）的案例更少。網上的資料雖然比較豐富，但是缺乏完整性和系統性。讀者要解決複雜的科學的工程應用方面的材料連線性問題，僅靠現有的ANSYS入門材料和簡單的工程案例是遠遠不夠的。於是，為了幫助焊接專業的讀者儘快提高ANSYS軟件用於材料連接的實戰水準，我們編寫了這本《焊接有限元技術》。

本書共分為16章，第1章～第6章主要介紹ANSYS基本操作、實體建模、網格劃分和後處理等基本功能及相關操作步驟；第7章、第8章主要介紹ANSYS命令流與參數化設計語言方面的知識，以及ANSYS在焊接工程中的有限元分析，特別是在溫度場、應力場及耦合場的應用；第9章～第16章主要介紹與材料連接（焊接）相關的工程案例。

本書分別介紹了ANSYS軟件的使用功能及基本操作、有限元理論的基礎知識、命令流及APDL的相關知識以及材料連接的工程實踐案例。本書通過詳細的工程實例，並結合一些解決實際問題的相關經驗技巧，融合GUI和APDL兩種方式，向讀者展示了如何建模、分析計算以及處理結果。全部案例均來自科學研究和工程實踐，其中有部分案例參考網上資料和書中提到的參考書籍。

本書由南京工程學院初雅傑主編，山東建築大學劉鵬、安徽工業大學馬群雙、南京工程學院李曉泉、江蘇雙勤新能源科技有限公司夏浩擔任副主編。各部分編寫分工如下：初雅傑編寫第1章～第4章，劉鵬編寫第5章、第6章，馬群雙編寫第7章、第8章，李曉泉編寫第9章、第10章，夏浩編寫第11章、第12章，江蘇雙勤新能源科技有限公司李勤峰編寫第13章，江蘇科技大學趙勇編寫第14章，江蘇科技大學許詳平編寫第15章，江蘇東華測試技術股份有限公司沈勁松編寫第16章。南京工程學院王思遠、何秀男、許昕童、李建、鄭基偉等參與完成本書實例部分建模、類比分析、試驗及文稿修改等工作，全書由初雅傑統稿。書末所列參考文獻對本書的編寫起了重要的參考作用，在此謹向相關作者表示感謝。

本書可以作為焊接、材料成型專業高校本科生和研究生、科研院所科研人員的參考用書，亦可作為廣大工程技術人員的參考用書。讀者可在搜索“焊接有限元技術”下載本書代碼。

由於編者水準有限，書中不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。



編者

2019年9月

第1章　有限元基礎 1

1.1　有限元產生的背景 1

1.2　有限元分析的作用及應用領域 2

1.3　有限元的基本解題思想 3

1.4　有限元常用軟件簡介 5

1.5　有限元軟件在焊接中的應用 6



第2章 ANSYS軟件基礎 9

2.1 ANSYS軟件的模組組成 9

2.2 ANSYS單位制的使用 12

2.3 ANSYS圖形接口的交交互操作（GUI） 12

2.4　ANSYS的資料庫操作與檔管理 18

2.5 ANSYS在線說明 20

2.6 ANSYS軟件的退出 21



第3章　ANSYS實體建模 22

3.1 有限元實體建模基礎 22

3.2 基本圖元物件的建立 23

3.2.1 點定義 23

3.2.2 線定義 27

3.2.3 面定義 30

3.2.4 體定義 33

3.3 布耳運算 37

3.3.1 加（Add） 37

3.3.2 粘接（Glue） 37

3.3.3 搭接（Overlap） 37

3.3.4 減（Subtract） 38

3.3.5 切分（Divide） 38

3.3.6 相交（Intersect） 38

3.3.7 互分（Partition） 39

3.4 圖元物件的其他操作 39

3.4.1 移動 39

3.4.2 旋轉 40

3.4.3 複製 40

3.4.4 鏡像 41

3.4.5 刪除 41

3.5 從協力廠商軟件中導入模型 42

3.5.1 IGES格式模型的導入 42

3.5.2 SAT格式模型的導入 42

3.6 實例1——工字梁的焊接 42

3.7 實例2——板筒焊接 46

3.8 實例3——圓筒焊縫 48



第4章　ANSYS網格劃分 52

4.1 定義單元屬性 52

4.1.1 單元類型 52

4.1.2 實常數和截面屬性 54

4.1.3 材料屬性 55

4.2 指定網格控制及生成網格 58

4.2.1 分配單元屬性 58

4.2.2 網格密度控制 60

4.2.3 生成和改變網格 63

4.3 網格劃分方式 64



第5章 ANSYS載入與求解 71

5.1 載荷種類及載入方式 71

5.2 定義載荷 74

5.3 求解 84

5.3.1 求解控制及求解器 84

5.3.2 多載荷步求解 87



第6章 ANSYS後處理 88

6.1 後處理概述 88

6.2 結果檔 88

6.3 後處理可用的資料類型 89

6.4 通用後處理器POST1 89

6.5 時間歷程後處理器POST26 91



第7章 ANSYS命令流與參數化設計語言（APDL） 93

7.1 ANSYS命令流概述 93

7.2 ANSYS基本操作命令及流文件分析 95

7.2.1 命令流基本關鍵字 95

7.2.2 前處理器 96

7.2.3 載入與求解 103

7.2.4 後處理操作 105

7.2.5 實用功能表操作 106

7.2.6 流檔分析 108

7.3 ANSYS參數化設計語言（APDL） 109

7.3.1 自訂工具列 110

7.3.2 定義參數 110

7.3.3 使用參數 110

7.3.4 獲取資料庫資料 111

7.3.5 陣列初步 112

7.4 宏基礎 113

7.4.1 控制語句 115

7.4.2 建立宏的技巧 117

7.4.3 關於命令流的注意事項 117

7.5 編寫命令流的良好習慣 118

7.6 APDL操作練習 118



第8章 焊接工程有限元分析 127

8.1 焊接過程有限元分析的意義和特點 127

8.2 焊接溫度場的分析理論 128

8.2.1 熱源計算模型 129

8.2.2 熱源計算模型的選取 130

8.3 焊接應力和變形的分析理論 130

8.4 材料性能及邊界條件的影響 131

8.5 焊接過程有限元模擬 132

8.5.1 焊接過程溫度場模擬分析 132

8.5.2 焊接過程應力場模擬分析 134

8.5.3 焊接金屬熔敷及凝固的模擬 135

8.6 基於ANSYS軟件的熔焊過程模擬 136



第9章 粘接封裝結構有限元分析 145

9.1 電子封裝工藝簡介 145

9.2 電子封裝國內外研究現狀 146

9.3 電子封裝的焊料研究 147

9.4 電子封裝面臨的工程問題 149

9.5 晶片與基板粘接組裝問題描述 149

9.6 GUI操作 150



第10章 方形扁平封裝結構有限元分析 157

10.1 方形扁平封裝器件簡介 157

10.2 QFP結構焊點在溫度迴圈載荷下的有限元分析 157

10.2.1 Anand黏塑性本構模型 157

10.2.2 材料參數 158

10.2.3 單元類型 159

10.2.4 有限元模型 159

10.2.5 載荷及邊界條件 159

10.2.6 分析過程的APDL命令流 160

10.2.7 結果分析 171

10.2.8 結論 172

10.3 QFP結構焊點在位移迴圈載荷下的有限元分析 172

10.3.1 分析方案 172

10.3.2 分析過程的APDL命令流 172

10.3.3 結果分析 176

10.3.4 結論 177



第11章 焊球組裝結構有限元分析 179

11.1 問題描述 179

11.2 模型建立過程和參數定義 180

11.2.1 模型建立過程 180

11.2.2 參數定義 180

11.3 實體建模 182

11.3.1 單元複製得到完整結構 184

11.3.2 邊界條件 185

11.4 載入及求解 185

11.5 結果分析 187



第12章 對接接頭雙面焊溫度場及應力場分析 190

12.1 問題描述 190

12.2 操作步驟 191



第13章 丁字接頭溫度場及應力場分析 203

13.1 生死單元法 203

13.2 問題描述 204

13.3 操作步驟 205



第14章 攪拌摩擦焊有限元分析 212

14.1 問題描述 212

14.2 材料的本構模型 213

14.3 單元的選擇 213

14.4 邊界條件和載荷 213

14.4.1 熱邊界條件 213

14.4.2 力學邊界條件 214

14.4.3 載荷 214

14.5 GUI操作 214

14.5.1 前處理 214

14.5.2 求解 219

14.5.3 後處理 223



第15章 平板堆焊熱應力分析 224

15.1 問題描述 224

15.2 操作步驟 225



第16章 點焊有限元分析 231

16.1 問題描述 231

16.2 操作步驟 231

16.2.1 模型建立 231

16.2.2 點焊和接觸的定義 233

16.2.3 載入與求解 233

16.2.4 查看結果 235



參考文獻 236