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內大咖解讀十四五規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4.0的建設過程中，仿真環節必不可少，少了仿真環節，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：

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