焊接是连接金属及热塑性材料的关键工艺，焊接过程中伴随的高温加热与冷却循环，必然会产生残余应力和结构变形，这直接影响产品的结构稳定性、承载能力及使用寿命。传统实验方法不仅成本高昂、周期漫长，还难以精准捕捉复杂工况下的物理化学变化规律。而Ansys Mechanical作为主流的CAE仿真工具，凭借其强大的热结构耦合分析能力，成为解决焊接工艺优化、残余应力预测难题的有效手段。下面将从技术背景、核心工具、实战案例等维度，全面解析Mechanical焊接仿真技术。
一、焊接仿真的技术背景与核心挑战
（一）焊接工艺的复杂性与仿真必要性
焊接是集传热、冶金、力学于一体的复杂物理化学过程，其能量来源涵盖电弧、激光、电子束、摩擦等多种形式，根据接合原理可分为熔焊、压焊、钎焊三大类。熔焊通过局部熔化形成熔池，冷却后实现材料接合，无需施加压力，适用于多种金属及合金；压焊则需要对焊件施加压力，可用于金属及部分合金材料的加工；钎焊采用熔点低于母材的钎料，通过湿润和扩散作用填充接头间隙，实现不同材料的连接。不同焊接方式的热输入特性、接头形成机制存在显著差异，但均面临共同的核心问题：冷却过程中产生的残余应力和变形。这些问题可能导致焊缝开裂、结构尺寸偏差等质量隐患，因此精准预测并控制焊接应力与变形，对保障工程质量至关重要。
传统实验方法需反复制作试件、调整工艺参数，不仅耗时耗力，还受环境因素、操作误差等影响，导致结果缺乏普适性。而有限元法通过热结构耦合分析，可模拟焊接全过程的温度场与应力场演化，高效揭示残余应力和变形的产生规律，为工艺优化提供科学依据，显著降低研发成本。
（二）热源模型：焊接仿真的关键基础
热源模型的准确性直接决定焊接仿真结果的可靠性。常用的热源模型包括Rosonthal解析模式、高斯热源、半球状热源、椭球形热源及双椭球形热源等。其中，高斯热源因能精准模拟电弧、激光等能量集中型热源的分布特性，成为焊接仿真中应用广泛的模型。
在Mechanical仿真中，热源需同时满足空间和时间的动态变化要求——既需在空间上呈现能量集中分布，又需随焊接过程沿特定路径移动。早期Workbench的瞬态热分析模块仅支持单一时间或空间维度的边界条件定义，复杂的移动热源需通过APDL命令编写实现，门槛较高。为此，Ansys推出Moving Heat移动热源插件，为用户提供了可视化的操作界面，大幅降低了移动热源设置的难度。
二、Moving Heat 插件：简化焊接仿真的核心工具
（一）插件核心优势与适用范围
Moving Heat是Ansys Workbench Mechanical 17.0及以上版本支持的ACT扩展插件，专为模拟电弧焊接、激光切割等热源移动类工业过程设计。其核心优势在于：无需编写复杂的APDL命令，通过图形化界面即可定义空间-时间耦合的移动热源，精准预测瞬态热场分布，为后续残余应力和寿命分析提供可靠输入。
该插件不仅适用于常规焊接仿真，还可通过激活"材料移除"功能，模拟焊接切割过程，只需设置单元移除的熔点温度即可实现多场景应用。
（二）插件下载与安装流程
下载Moving Heat插件时，需先打开Workbench项目页，选择"ACT StartPage"选项，再点击"Manage Extensions"进入扩展管理器，最后点击右下角"Ansys Store"，搜索"Moving Heat"即可完成下载。安装过程同样简便，进入Workbench"ACT StartPage"后打开"Manage Extensions"，点击右上角" "符号，在文件对话框中选择下载的"*.wbex"二进制文件，完成安装后即可在Mechanical中调用该插件。
（三）核心参数与热源方程解析
Moving Heat插件提供两种核心热源模型。第一种是高斯热流源(Moving Heat Flux Source)，其方程为
q=C2e-[(x-x0)2 (y-y0)2 (z-z0)2]/c21，其中g代表期望表面热流，C1为光束半径，C2为电源功率强度，(x0,y0,z0)是热源瞬时位置，沿路径移动的距离等于速度乘以时间，"为热源移动速度，t为时间。第二种是高斯热源(MovingHeat Energy Source)，方程为E= C2e[1-x1t (y-y0)/C1*e-AC(x-x0)，除包含热流源的关键参数外，还新增吸收系数（AC），用于描述材料对热源能量的吸收效率。
此外,插件还需设置路径(Path)、起点(StartPoint)、唯一标识(Index)、激活状态(First Patch/LastPatch)、冷却阶段最小步长、材料移除开关等关键参数。需特别注意:焊接分析必须激活"Last Patch"，且需合理设置"First Patch"与"LastPatch"的启动时间，确保仿真逻辑连贯。
三、单焊缝焊接仿真实战案例
以50×30×2mm结构钢焊板的单焊缝连接为例，详细说明Mechanical焊接仿真的完整流程：
（一）仿真前期准备
首先进行模块选择，在Workbench平台建立"瞬态热分析-瞬态结构分析"间接耦合模块，实现热结构耦合仿真。接着通过 Spaceclaim软件绘制焊板模型，分为"左板"、"右板"及中间"焊缝"三部分，明确各部件几何边界。最后为左板、右板及焊缝统一赋予结构钢的物理属性，包括导热系数、比热容、弹性模量、热膨胀系数等，确保材料参数与实际工况一致。
（二）网格划分与连接设置
网格划分环节，全局网格尺寸控制在1.5mm，焊缝区域因应力集中且温度梯度大，局部网格加密至0.5mm；焊板厚度方向划分3段，保证厚度方向的温度与应力分布计算精度。连接设置上，焊缝与左右板之间采用"bond"连接方式，模拟实际焊接中的冶金结合状态。
（三）热分析边界与加载设置
热分析边界条件方面，将焊板所有表面定义为辐射面，模拟焊接过程中的热辐射散热。热源加载需先选择焊缝表面作为热源施加面，路径设置为焊缝横向边缘，确定热源起点（路径端点），设置First Patch 与 Last Patch均为"Yes"；再输入焊接参数，通常移动速度设为5mm/s、光束半径5mm、热源功率强度100W/mm，启动时间0s，结束时间50s；如需模拟冷却过程，可设置总分析时间大于热源结束时间，通过"Minimum Steps for Cooling Phase"参数控制冷却步长。
（四）结果分析与后处理
温度场分析时，通过后处理模块查看焊接过程中的温度分布云图，可插入"Construction Geometry"构建路径与截面，重点观察焊缝及热影响区的温度演化规律，验证热源模型的合理性。结构场分析需先对焊板左右底面施加固定约束，模拟实际安装工况；再将热分析结果中的温度场作为荷载导入，设置Source Time为"ALL"，确保全时段温度影响被考虑；分析设置上，结束时间设为 6.25s，子步设置为25、20、250，平衡计算精度与效率；最后通过残余应力云图和残余变形云图，直观获取焊缝及周边区域的应力集中位置、最大变形量，为工艺优化提供数据支撑。
Ansys Mechanical凭借热结构耦合分析能力与Moving Heat插件的便捷性，已成为焊接仿真的高效解决方案。通过数值模拟，可精准预测焊接过程中的温度场、应力场演化，为控制残余变形、优化工艺参数提供科学依据，相比传统实验方法大幅降低研发成本、缩短周期。
从应用场景来看，该技术不仅适用于常规单焊缝、多焊缝焊接仿真，还可扩展至激光切割、等离子焊接等复杂热源移动场景。未来，随着材料模型的精细化、多物理场耦合（如热-冶金-力学耦合）的深化，Mechanical焊接仿真将在高端装备制造、精密结构加工等领域发挥更大作用，助力企业实现产品质量的提升与核心竞争力的增强。