材料加工過程虛擬與仿真一直是近年來材料加工領(lǐng)域的研究熱點。對于焊接過程而言，其物理現(xiàn)象本身非常復(fù)雜，是一個涉及高溫電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程，因此在建立精確的物理模型方面存在著較大的難度。由于焊接過程溫度梯度很大，在空間域內(nèi)大的溫度梯度導(dǎo)致嚴(yán)重的材料非線性，產(chǎn)生求解過程中的收斂困難和解的不穩(wěn)定性；在時間域內(nèi)大的溫度梯度決定了瞬態(tài)分析時離散程度上的加大，直接導(dǎo)致求解時間步的增加。由于上述原因，焊接過程數(shù)值模擬的研究長期以來一直停留在二維水平上。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，焊接過程三維數(shù)值模擬成為該領(lǐng)域的重要研究課題。由于焊接過程的復(fù)雜性，焊接過程的三維數(shù)值模擬仍停留在基礎(chǔ)性研究階段，且大多是以典型接頭作為研究對象，遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)用于實際結(jié)構(gòu)的水平。影響加工過程三維數(shù)值模擬在實際生產(chǎn)中應(yīng)用的主要因素可概括為三點：(1) 焊接結(jié)構(gòu)三維模型自由度數(shù)目龐大；(2) 嚴(yán)重的材料非線性導(dǎo)致求解過程收斂困難；(3) 高溫區(qū)的存在使得數(shù)值模擬的精度和穩(wěn)定性難以保證。這些因素的存在直接導(dǎo)致計算時間的增多。針對上述問題，為了減少計算時間和三維模型的自由度數(shù)目，本文選擇了適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)模型和物理模型。