T/CWAN 0100-2023 焊接数值模拟 固有应变法

ICS25.160.01

CCSJ33

团体标准

T/CWAN0100—2023

焊接数值模拟固有应变法

Numericalweldingsimulationinherentstrainmethod

2023-12-27发布2024-02-01实施

中国焊接协会发布

T/CWAN0100—2023

目次

前言....................................................................................................................................................................II

1范围.....................................................................................................................................................................1

2规范性引用文件................................................................................................................................................1

3术语和定义........................................................................................................................................................1

4基本流程.............................................................................................................................................................2

5一般要求.............................................................................................................................................................2

6焊接仿真分析模型建立规则............................................................................................................................2

7仿真结果评估....................................................................................................................................................6

8仿真分析报告....................................................................................................................................................7

附录A（规范性）基于固有应变法焊接数值模拟流程图................................................................................8

附录B（资料性）固有应变的提取及数据修正................................................................................................9

附录C（资料性）文档模板...............................................................................................................................16

附录D（资料性）对接接头MIG焊接的变形模拟仿真报告........................................................................17

I

T/CWAN0100—2023

前言

本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规

定起草。

本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由中国焊接协会提出并归口。

本文件起草单位：江苏徐工工程机械研究院有限公司、郑州机械研究所有限公司、河南科技大学、

哈尔滨职业技术学院、哈尔滨工业大学、中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司、北京星航机电

装备有限公司、哈尔滨电机厂有限责任公司、中信重工机械股份有限公司、青岛海尔空调器有限总公司、

中船黄埔文冲船舶有限公司、上海航天精密机械研究所。

本文件主要起草人：彭根琛、陆智俊、龙伟民、杨帆、张立平、魏世忠、张浩、冯吉才、张贵芝、

黄瑞生、樊喜刚、纪昂、武汉琦、孟政宇、钟素娟、武鹏博、宋玉军、徐殿鑫、彭赫力、王耀、于华、

方乃文、郭鹏。

II

T/CWAN0100—2023

焊接数值模拟固有应变法

1范围

本文件规定了焊接数值模拟流程、一般要求、仿真建模规则、接头固有变形的计算、仿真结果评估、

仿真分析报告构成等内容与规范。

本文件适用于基于固有应变法的工程机械焊接结构件熔化焊（气保焊、激光焊等）的焊接变形预测。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于

本文件。

GB/T31054机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语

GB/T33582机械产品结构有限元力学分析通用规则

ISO/TS18166焊接数值模拟执行和文档(Numericalweldingsimulation—Executionand

documentation)

ISO/TR25901（所有部分）焊接及相关工艺词汇（Weldingandalliedprocesses—Vocabulary）

T/CWAN0063—2023焊接数值模拟热弹塑性有限元方法

3术语和定义

GB/T31054、GB/T33582、ISO/TR25901、ISO/TS18166和T/CWAN0063—2023界定的以及下列术

语和定义适用于本文件。

3.1

固有应变inherentstrain

经历焊接热循环后，焊缝及其附近产生的永久应变。

3.2

固有变形inherentdeformation

固有应变在焊缝横截面上的积分结果。

3.3

固有应变法inherentstrainmethod

一种焊接变形数值模拟方法，其原理是将焊缝及其附近的固有应变作为初始值进行一次弹性分析，

从而得到焊接结构的整体变形。

1

T/CWAN0100—2023

4基本流程

固有应变法焊接数值模拟的基本流程主要包括有限元模型建立、模型求解、结果评估、仿真方案

制定实施及报告编写，具体参见附录A。

5一般要求

有限元模型分析前应符合下述要求：

——应按照GB/T33582附录B规定选择SI单位制，质量单位选择吨，长度单位选择毫米，应力

单位选择兆帕，时间单位选择秒，密度单位选择吨/立方毫米，力的单位选择牛，模型材料属

性单位应与几何模型单位一致；

——应选笛卡尔直角坐标系，当边界条件中有力或者约束与全局坐标系不一致时，可增加局部坐标

系；

——焊接CAD模型应结构完整，装配关系清晰明了；

——焊接仿真宜选用具备三维建模、网格划分等前处理，结构分析及可视化后处理功能的一个或多

个软件进行。

6焊接仿真分析模型建立规则

6.1几何模型建立及简化

6.1.1几何模型简化应符合准确性和经济性两个原则。

6.1.2焊接仿真分析的几何模型简化原则：

——应对模型进行干涉检查，避免模型中存在干涉；

——应删除对焊接变形影响较小且不重要的零部件，如螺丝、油缸、吊耳、安装板、固定板等。其

中，螺丝、安装板或固定板等连接件，移除后会影响结构件局部的自由度，应当在焊接约束设

置中考虑限制相应位置的位移和转动，施加完全固定/铰链/悬臂梁等约束形式；

——应删除各个零件上的圆角、切角、退刀槽、凸台、无焊缝填充的倒角等细节特征；

——应删除各零件上孔径与结构件尺寸比值小于1%的孔及安装孔；

——应简化不规则的截面形状。

6.2有限元网格划分

6.2.1采用固有应变法进行焊接数值模拟的网格模型，可使用壳单元网格划分或实体单元网格划分。对

于板厚与长/宽的比值小于1:10的结构件，宜采用实体单元网格划分；反之，宜采用壳单元网格划分。

6.2.2基于壳单元的网格划分应遵守以下原则：

——应对模型进行干涉检查，避免模型中存在干涉；

——将模型导入前处理软件中，对几何模型抽取中面；

——应调整需要对齐的平面，并去除中面上的圆倒角、切角等细节特征；

——应去除中面间隙，使各中面相交；

2

T/CWAN0100—2023

——应修补模型的破面，合并距离很近的边及节点；

——应去除模型中存在的自由边；

——应将对接接头、角接接头各组件中面的交线作为焊缝，如图1和图2所示；

——应在搭接接头两组件中面之间建立一个面P，并将该面作为搭接接头P1组件中面的一部分，

P1组件与P2组件的交线为搭接接头的焊缝，如图3所示；

——应在端接接头两组件中面之间建立一个面，并将该面平均分为A，B两个面，分别赋给P1，

P2两个组件的中面，两组件中面的交线为端接接头的焊缝，如图4所示；

——建立焊接仿真分析模型时，宜使用四边形低阶单元；

——应在焊缝位置划分足够多的网格来准确预测变形，小型结构焊缝长度方向宜不少于8个单元，

大型结构宜不少于6个单元，超大型结构宜不少于4个单元。

a）几何模型b）中面模型

标引序号说明：

1——几何模型中的组件P1；

2——几何模型中的焊缝；

3——几何模型中的组件P2；

4——几何模型中组件P1的中面；

5——几何模型中组件P2的中面；

6——中面模型中的组件P1；

7——中面模型中的焊缝；

8——中面模型中的组件P2。

图1对接接头的简化

a）几何模型b）中面模型

标引序号说明：

1——几何模型中的组件P1；

2——几何模型中的焊缝；

3

T/CWAN0100—2023

3——几何模型中的组件P2；

4——几何模型中组件P1的中面；

5——几何模型中组件P2的中面；

6——中面模型中的组件P1；

7——中面模型中的焊缝；

8——中面模型中的组件P2。

图2角接接头的简化

a）几何模型b）中面模型

标引序号说明：

1——几何模型中的组件P1；

2——几何模型中的焊缝；

3——几何模型中的组件P2；

4——几何模型中组件P1的中面；

5——几何模型中组件P2的中面；

6——中面模型中的组件P1；

7——中面模型中的焊缝；

8——中面模型中的组件P2;

9——中面模型中的面P。

图3搭接接头的简化

a）几何模型b）中面模型

标引序号说明：

1——几何模型中的组件P1；

2——几何模型中的焊缝；

3——几何模型中的组件P2；

4——几何模型中组件P1的中面；

5——几何模型中组件P2的中面；

6——中面模型中的组件P1；

7——中面模型中的面A；

8——中面模型中的焊缝；

9——中面模型中的面B；

10——中面模型中的组件P2。

图4端接接头的简化

4

T/CWAN0100—2023

6.2.3基于实体单元的网格划分宜符合T/CWAN0063—2023的规定。

6.3焊接接头固有变形计算

利用固有应变法计算结构焊接变形，应先根据结构特征提取其接头形式，再根据接头形式的不同分

别提取固有变形（包括纵向固有收缩、横向固有收缩、横向固有弯曲和纵向固有弯曲），最后在软件中

输入固有变形值进行变形计算。焊接接头固有变形可采用实验方法、热弹塑性法和经验公式法进行计算，

计算步骤见附录B，主要包括以下内容：

a）附录B.1给出了采用实验方法提取固有变形的步骤；

b）附录B.2给出了采用热弹塑性法提取固有变形的步骤；

c）附录B.3给出了采用经验公式计算固有变形的步骤。

6.4计算条件设置

6.4.1力学边界条件的施加

模型结构边界条件的设定应符合以下原则：

——焊接仿真分析模型的结构边界条件设定应符合实际工况；

——当在自由状态下进行焊接变形计算时，应限制仿真模型的6个自由度，以防止工件发生刚体位

移和转动，宜使用如图5所示的约束方式；

——当在装夹条件下进行焊接变形计算时，应在夹具作用位置施加位移约束，限制仿真模型的6

个自由度，以防止工件发生不符合夹具限制的位移和转动，宜使用如图6所示的约束方式。

图5限制刚体位移的约束方式

图6限制装夹条件下刚体位移的约束方式

6.4.2固有变形的施加

6.4.2.1基于壳单元模型的固有变形的施加应符合以下原则：

5