焊接工艺凭借其高效可靠的材料接合能力在机械制造、航空航天、汽车工业等诸多领域占据着核心地位。然而，焊接过程本质上是涉及传热、冶金和力学的复杂物理化学过程，在冷却阶段不可避免地会产生焊接变形和残余应力，这些问题直接关系到结构安全与工程质量。传统实验方法不仅耗时费力、成本高昂，还难以精准捕捉多因素影响下的规律特征。在此背景下，ANSYS Mechanical 凭借强大的热结构耦合及瞬态、非线性分析能力，成为解决焊接仿真难题的理想工具，为焊接过程的精准模拟与优化提供了高效解决方案。
焊接工艺分类与仿真核心需求
焊接工艺种类繁多，根据接合原理可分为熔焊、压焊和钎焊三大类。熔焊通过加热使工件局部熔化形成熔池，冷却凝固后实现接合，适用于各类金属和合金，无需施加压力；压焊则必须对焊件施加压力才能完成接合，可加工多种金属材料及部分非金属材料；钎焊采用熔点低于母材的钎料，利用液态钎料湿润母材、填充间隙并实现扩散连接，适用范围覆盖多种材料组合。
无论哪种焊接工艺，其核心仿真需求均聚焦于准确预测焊接变形和残余应力。ANSYS Mechanical 采用有限元法的热结构耦合功能，先通过热分析获取焊接过程中的温度场分布，再将温度场作为载荷施加到结构模型中进行力学分析，最终清晰呈现温度场、应力场随时间的变化规律，为评估构件承载力提供科学依据。
ANSYS Moving Heat 移动热源插件：简化仿真流程的关键工具
在焊接仿真中，热源模型的选择直接影响模拟结果的准确性，常用的热源模型包括高斯热源、半球状热源、椭球形热源等。其中，移动高斯热源能够精准模拟电弧焊接、激光切割等工业过程中的瞬态热场，是预测残余应力的核心基础。然而，传统 Workbench 瞬态热分析模块仅能定义时间或空间单一变化的边界条件，若要实现时空耦合的载荷定义，需依赖复杂的 APDL 命令，这对初学者构成了较大障碍。
ANSYS Moving Heat 移动热源插件的推出，有效解决了这一痛点。该插件作为 ACT 扩展工具，适用于 ANSYS Workbench Mechanical 17.0 及以上版本，通过可视化 UI 界面即可完成移动热流源的定义，无需复杂编程。其核心优势在于提供了两种热源计算模型：
移动热流源模型（Moving Heat Flux Source）：基于高斯分布方程，通过参数设置可精准控制热流密度的空间分布与时间变化，方程中涵盖热流强度、光束半径、热源移动速度等关键参数，能准确模拟热源在焊接路径上的移动过程。
移动能源模型（Moving Heat Energy Source）：引入吸收系数参数，进一步优化了热能传递与材料相互作用的模拟精度，适用于对能量吸收效率要求较高的焊接场景。
插件的安装与使用流程简便高效：用户可通过 ANSYS Store 搜索下载插件，或通过扩展管理器导入本地二进制文件完成安装。在参数设置方面，支持对热源路径、起点、移动速度、光束半径、功率强度、启动与结束时间等进行精细化配置，还可通过设置冷却阶段最小步长实现焊接后的冷却过程模拟，激活材料移除功能并设定熔点温度后，还能扩展用于焊接切割过程的仿真。
单焊缝焊接仿真案例：从建模到结果分析的完整实践
为直观展示 ANSYS Mechanical 焊接仿真的实现流程，以下结合单焊缝焊接分析案例，详细拆解从模型建立到结果解读的全步骤：
1. 模块选择与几何建模
在 Workbench 平台中搭建瞬态热与瞬态结构的间接耦合模块，满足热结构耦合分析需求。通过 Spaceclaim 软件构建尺寸为 50×30×2mm 的焊板模型，中间设置焊缝连接，分别命名为“左板”“焊缝”和“右板”，确保模型结构清晰，便于后续材料赋予与边界条件设置。
2. 材料赋予与网格划分
为左板、右板及焊缝统一赋予结构钢的物理属性指标，包括导热系数、比热容、弹性模量等关键参数，保障仿真的材料真实性。网格划分采用全局与局部结合的策略：全局尺寸控制在 1.5mm，焊缝区域作为核心分析部位，局部尺寸细化至 0.5mm，同时在焊板厚度方向划分 3 段，确保网格质量满足计算精度要求。焊缝与左右焊板之间采用“bond”连接方式，模拟实际焊接中的紧密接合状态。
3. 边界条件与载荷设置
热分析边界条件设定为焊板所有表面均为辐射面，符合焊接过程中的热交换实际情况。热载荷施加选择焊缝表面作为热源作用面，路径定义为焊缝横向边缘，起点选取路径端点，同时将 First Patch 与 Last Patch 均设置为“Yes”，确保焊接仿真功能正常激活。根据实际焊接工艺需求，配置热源移动速度、光束半径、功率强度等参数，完成载荷定义。
4. 分析设置与结果查看
结构场分析设置中，将结束时间设定为温度施加时间 6.25s，合理配置子步参数（25、20、250），保障计算稳定性与精度。对焊板左右底面施加固定约束支撑，模拟实际焊接中的工装固定状态；导入温度荷载时，将 Source Time 设为“ALL”，确保完整传递热分析结果。
结果查看阶段，通过后处理功能可获取焊接过程中的温度场分布云图，若需重点观察路径及焊缝横截面的温度变化，可通过插入 Construction Geometry 选项卡构建专属路径与截面。在结构场分析结果中，能够清晰查看焊接后的残余变形云图与残余应力云图，直观呈现焊接变形量与应力集中区域，为工艺优化提供数据支撑。
此外，该仿真方案可灵活扩展至焊接切割场景：只需在 Moving Heat Flux 详细选项卡中激活 Material Removal 功能，并赋予材料对应的熔点温度，即可实现焊接切割过程的数值模拟。
ANSYS Mechanical 凭借强大的热结构耦合分析能力，结合 Moving Heat 移动热源插件的便捷操作，构建了一套高效、精准的焊接仿真解决方案。该方案不仅克服了传统实验方法的局限性，能够快速预测焊接过程中的温度场、残余应力与变形规律，还为焊接工艺优化、结构安全性评估提供了科学依据，广泛适用于各类机械制造场景。