筆者最近剛剛參加完工信部組織的《智能制造培訓班》，再一次近距離聆聽工信部專家組成員和行業(yè)內大咖解讀十四五規(guī)劃中的智能制造與數字化轉型，受益良多。在2018版的《國家智能制造標準化建設體系指南》中，對整體的智能制造體系有了新的規(guī)劃。如圖1：

圖1 國家智能制造標準化建設體系指南框架圖

在新的制造制造指南中，可以看到很多內容，大多數內容涉及面太廣，不便于在此展開。我們重點看中間的，將智能設計、智能生產、智能管理、智能物流、智能優(yōu)化涵蓋在內，這部分內容將是智能工廠的核心。

多位專家也反復強調，在工業(yè)4.0的建設過程中，仿真環(huán)節(jié)必不可少，少了仿真環(huán)節(jié)，就不是智能過程。這部分的論斷，對于像我這樣專注偏工藝的CAE技術人員來說，是一個積極的肯定（因為讓我的領導聽到了，你懂得）。

言歸正傳，在眾多的仿真分支中，焊接仿真一般是偏工藝方向的仿真，一般不在設計的仿真范疇之內，所以焊接仿真一直在各大主機廠中（僅僅是我所接觸過的，不代表全部）是一個特殊的存在，說完全沒有不對，說有吧，又是游離在流程之外的，比較尷尬。好在我們暫時可以不關注這些，專心做仿真，時間會給我們證明我們的價值！

本文所講的內容正是這個比較難纏的焊接仿真問題。圖2是我想給大家大致說明下焊接的場景問題。對于很多做焊接的人來說，工程師一般好點，但是對于好多的同學而言，我了解到的是根本沒有見過真正的焊接，就開始做仿真，這是有問題的。

焊接過程是一個比較的復雜的過程，就焊接現象而言，是焊工利用手中的焊槍，將焊絲填充到兩個要連接的零件之間，利用電生熱原理，將電能轉化成熱能，熔化填料和母材，將母材連接在一起。這個說法不太嚴謹，但是我覺得有助于幫助大家理解焊接過程。

圖2 焊接場景

對于焊接過程，我們可以發(fā)現涉及了三個過程，電場、溫度場和應力場。對于大多數弧焊而言，電場可以忽略，僅考慮溫度場和應力場。但是對于電阻焊而言，三者必須同時考慮，這就給有限元帶來了很大的困難。增加一個場不僅僅是增加一個未知數那么簡單的問題，會涉及到非常復雜的非線性問題。筆者最近使用abaqus做了一個電阻焊的case，電阻焊的收斂問題真是頭疼的很。

正如上述，做弧焊要相對簡單，目前的絕大多數焊接都是只考慮溫度場和應力場。應力場很好理解，那么溫度場怎么做呢？我們如果稍微了解傳熱的理論的話，就知道傳熱的過程就是一個偏微分方程問題。對于物理模型來說，就是熱傳導、熱輻射、熱對流問題。這里面的核心就是熱源！

圖3 焊接過程的數值轉化

焊接的過程是一個動態(tài)過程，所以我們要考慮兩個問題，一個是熱源的形狀，一個是熱源的移動。熱源的形狀是一個數學問題，熱源的移動是一個程序問題。

圖4 雙橢球熱源模型

在解決熱源形狀的過程中，出現了很多的專家，目前最常用的就是雙橢球熱源，關于這個熱源的理解和使用目前存在很多的誤區(qū)：

1、正確理解雙橢球的“雙”字。這個雙代表這這其實是個復合熱源，由兩個橢球熱源各自拿出一半組合起來的。主要為了解決在焊接過程中前后半區(qū)無論在熱輸入還是在能量上不一致的問題。

2、正確理解橢球的概念。為什么是橢球，橢到什么地步，是由他的形狀函數來表示的。就是公式中的exp（）內容。建議你可以將焊縫中心和遠離焊縫中心的坐標帶進去，看看結果是這么。如果你多做一些，多比一些，好多問題都可以解決，比如最復雜的坐標轉化問題。

3、正確理解b和c。這兩個參數一個是熔池寬度，一個是熔池深度。這個通常建議和實際的焊縫熔合線一致。我接觸到的一些同學對這個完全沒有概念，這個就比較難辦了，還是建議補補課。正確理解了b和c，就可以知道，我們在做單元的時候，就要保障在b和c的范圍內有足夠的單元，才能保障溫度場分布較為均勻。為了避免誤導大家，這里還是建議大家自己嘗試下，用什么樣的單元尺寸最合適，自己試驗出來的肯定最美妙了。

4、正確理解耦合場的概念。由于熱源是移動的，所以他每移動一次，都要進行一次解耦計算，因此焊接的分析一般很費時間，他的計算成本也比一般的高，一定要做好心理準備。另外，這個分析比較吃CPU主頻，不太吃多核。

5、關于熱源的定義，不同軟件有不同的做法。以為常用的為例，abaqus一般采用子程序的方法，marc內置了部分熱源的模塊，內置模塊解決不了的，依舊要通過子程序來解決。無論哪種，其實質都是提供一個可以以時間為自變量的可以移動的熱源。

編輯：jq