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1. 研究目的与意义（文献综述）
熔焊工艺是一种实现金属材料间永久性连接工艺，在桥梁建筑、汽车制造、船舶航天等方面应用广泛。然而，在焊接过程中，随着热源的移动，焊缝及热影响区金属随着瞬态温度场的变化，依次经历受热、熔化和凝固过程。在加热和随后的冷却过程中，由于温度的不均匀分布，焊接结构中不可避免的会产生残余应力和变形。这些将反过来影响材料的尺寸形状、制造公差和疲劳强度等性能，对产品的使用安全性能造成严重危害。因此，对于焊接变形和残余应力的精确预测有助于合理设计、节约成本和保证结构安全。
然而，焊接过程中由于温度的迅速变化，材料的物理和机械性能也会随之变化，这些特性给焊接变形和残余应力的准确预测造成了一定困难。焊接有限元理论和计算机技术的发展，为解决这些问题提供了有力工具。国内外众多科研人员在焊接有限元模拟方面做了很多工作。目前，用于焊接变形的有限元法主要有热-弹-塑性有限元法和固有应变法两大类【1】。其中，热-弹-塑性法可以跟踪焊接热-力的全过程，计算结果更为精确，但计算成本较高，计算效率低下；而固有应变法计算量小，计算效率高，但只有焊接终了结果，计算精确度上不如热-弹-塑性法【2】。
焊接结构中，拼焊板是将不同厚度或是不同材料或是同时具有不同厚度和不同材料的板材通过焊接的方式连接成一个整体的板材结构。拼焊板中最常用的焊接方式为激光拼焊，由于其能量密度高，焊接速度快，焊成的接头焊缝性能良好，接头热影响区小，使得激光拼焊板具有低自重、高性能以及低成本等特点，从而在汽车制造领域占有很大的比重。然而，焊接过程中不可避免存在的焊接残余应力和变形会对随后的塑性成形造成困难，变形时会出现焊缝的偏移，弱强侧母材被拉薄甚至出现开裂。因此，为了控制拼焊板的成型和变形性能，研究者们从焊接工艺着手对拼焊板进行了一定的研究。guangtao zhou【20】等人进行了外热作用下b1500hs钢和q235激光拼焊板温度场数值模拟。bin qiang【22】研究了q345qd对接拼焊钢板残余应力的穿透厚度分布。martin stambke【19】等人讨论了不同的表面条件对拼焊板接头强度和连接区的影响。guangmingfu【14~15】研究了边界约束条件和焊接顺序对拼焊板焊接残余应力和变形的影响。g. buff【21】等人研究了板厚对铝合金拼焊坯的搅拌摩擦焊接热影响区的影响。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
以低合金高强钢拼焊板电弧焊为研究对象，建立三维热-弹-塑性有限元模型，研究拼焊板焊接顺序对焊接残余应力和变形的影响。探讨大面积拼焊板结构数值模拟的可行性，为大型结构件焊接变形的预测打下基础。
2.2 研究目标
1、完成设计方案的制定，建立三维热-弹-塑性有限元模型，确定合理焊接参数、热源模型和材料参数；
2、完成有限元程序设计，计算和调试，研究焊接顺序对焊接变形的影响；
3、探讨大面积拼焊板结构数值模拟的可行性，为大型结构件焊接变形的预测打下基础；
４、总结国内外相关研究概况和发展趋势，总结选题对社会、健康、安全、成本及环境影响。
2.3 技术方案
1、设计焊接工艺。焊接工艺参数如表1。
表1.焊接工艺参数
| 焊接方法 | 焊接电流 | 电弧电压 | 焊接速度 | 焊丝牌号 | 焊丝直径 | 保护气体 | 气体流量 |
| MAG焊 | 150A | 20V | 2mm/s | ER50-6 | 1.2mm | Ar CO2 | 20~25 |
2、建立几何模型。试件由三块钢板构成，其上分布有一条横焊缝和一条纵焊缝，构件结构尺寸待定，结构示意图如图1。试件尺寸如表2。
表2.试件尺寸大小
| 编号 | 1 | 2 | 3 |
| 尺寸（mm） | 140*70*3 | 70*70*3 | 70*70*3 |
3、进行网格划分。热传导单元选为20节点SOLID90单元，在焊缝区域网格细密划分，尺寸为0.5×0.5×0.5mm，焊道附近网格单元尺寸为1×1×1mm，远离焊道的区域单元尺寸为5×5×5mm。为保证计算变量的连续，各区域之间网格保持连续。
4、定义材料属性。进行焊接数值模拟时，随温度的变化而改变的金属材料的热物理性能和热机械性能的准确性对运算结果的精度是非常重要的。热物理性能包括材料的比热容、热导率、密度等，热机械性能包括金属材料的杨氏模量、屈服强度、热膨胀系数等。
5、热源模型及参数的确认。Goldak的双椭球体热源模型可以应用于不同的焊接工艺，考虑各种工艺参数的综合作用已被研究者广泛认可[12]。热源模型公式为：
式中各字符代表的尺寸参数如下，其平面图如图2.
对于常规弧焊，ff=0.6，fr=1.4，af=b=0.5ar=0.45Wwidth，c=0.9Wdepth。式中，Wwidth为实际焊缝宽度，Wdepth为实际焊缝深度。由于在模拟之前并不知道实际焊缝的深度、宽度等参数，所以根据先经验估算，再由模拟的焊缝形状进行调整。最终选取热源参数如表3。
表3.热源模型参数
| ff/mm | fr/mm | af/mm | ar/mm | b/mm | c/mm | Q/J/mm |
| 0.6 | 1.4 | 6 | 3 | 3 | 2 | 1200 |
６、进行焊接温度场的计算，计算结果保存待用。
７、转换单元类型，修改为solid95，以保证不出现剪切自锁现象。施加相应约束：为防止刚体运动但允许板变形，施加力学边界条件，如图3。
８、载入上一步热分析所得节点温度为热载荷，进行间接耦合的热-力模拟计算并求解。
９、通过调换横纵两条焊缝的焊接顺序，如图4,5。对比焊接残余应力分布变化及焊接变形的改变，探讨焊接顺序对焊接残余应力和变形的影响。
3. 研究计划与安排
第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。
第4－7周：按照设计方案，建立三维热-弹-塑性有限元模型，确定合理焊接参数、热源模型和材料参数；。
第8－12周：完成有限元程序设计，计算和调试，研究焊接顺序对焊接变形的影响
4. 参考文献（12篇以上）
[1]张笈玮,李宏佳,冯忠志,方洪渊.大面积拼焊平台结构的焊接变形预测[j].焊接学报,2019,40(03):118-122 166.
[2]梁伟,马峰,张渝,村川英一.薄板焊接变形高精度预测方法的研究[j].船舶力学,2017,21(04):437-442.
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