銲接模擬怎麼做？變形預測方法與溫度場分布的分析

先說結論

簡單講，銲接模擬就是用電腦先跑一次焊接會發生什麼事。重點在「預測」溫度怎麼跑、東西會不會變形。搞懂這個，就不用等到真的焊下去，結果整個工件彎掉、報廢，浪費一堆時間跟錢。核心就是先做熱分析，再把溫度結果當作負載，去做結構分析。

為什麼這東西重要？看個例子就知道

想像一下，我們要焊一個很長的T型接頭。如果沒先模擬，直接憑經驗開幹，很可能焊完冷卻後，整個結構就因為殘餘應力而翹起來，像香蕉一樣。這在精密組裝裡是天大的災難。但如果事先模擬，我們可以先在電腦裡試好幾種不同的焊接順序、夾具有沒有夾對地方，或是調整焊接速度跟電流。

你看，左邊是沒優化的結果，整個翹到不行。右邊是我們透過模擬調整過焊接順序後的結果，變形量小很多。省下來的就不只是材料，還有後面校正變形要花的工時，甚至可以避免掉整個專案的延遲。

那...到底怎麼做？

好，來講正題。整個流程大概是這樣，這是我自己習慣的作法，基本上大同小異。

第一步當然是準備模型。3D模型進來，第一件事就是簡化。一些不影響結構剛性的小孔、圓角，全部拿掉，不然網格會切到死。

接著是切網格(Meshing)。這一步超級關鍵。焊道跟旁邊的熱影響區（Heat-Affected Zone, HAZ）要切得夠細，因為那裡的溫度梯度跟應力變化最劇烈。但離焊道遠的地方，網格就可以粗一點，不然電腦會跑到天荒地老。Ansys Mechanical 這類軟體都有工具可以幫你做這種局部加密。

再來，定義熱源。這不是簡單給個溫度就好。現在業界很常用一個叫「高達克雙橢球熱源模型」(Goldak's double ellipsoid heat source) 的東西。簡單說，它把焊接電弧前面的加熱區跟後面的拖尾區模擬成兩個不同的橢球，這樣才符合真實焊接熔池的物理行為。比起早期的點熱源或高斯分佈模型，這個準確多了。

然後就是開始計算了。

暫態熱傳分析 (Transient Thermal Analysis)：這一步是模擬在焊接過程中，溫度隨著時間的變化。你會得到每個時間點，工件上每個節點的溫度。這一步跑完，你就能看到溫度場分佈，還有熱影響區大概多大。
結構分析 (Structural Analysis)：把上一步算出來的溫度歷史，當作「熱負載」加载到結構模型上。材料在高溫下會膨脹，機械性質（像降伏強度）也會急遽下降，這些都要考慮進去。軟體會根據這些溫度變化去計算工件的應力跟應變。冷卻後，那些不均勻的塑性應變就會變成我們最頭痛的「殘餘應力」和「焊接變形」。

對了，如果你的焊接有填料，那就要用到所謂的「生死單元」(Element Birth and Death) 技術。意思就是，還沒焊到的地方，那些代表焊料的網格單元是「死的」(沒有作用)，隨著焊槍移動，再一個個「活化」它們，這樣才能模擬材料堆疊上去的過程。

用什麼軟體？有差嗎？

當然有差。這就像你要鎖螺絲，用電動起子跟用手轉，都能鎖，但效率跟爽度完全不同。

市面上的主流大概分兩派：

通用型有限元素分析 (FEA) 軟體：像是 Ansys、Abaqus。它們很強大，什麼都能做。但用在焊接上，你可能需要自己寫一些子程序 (subroutine) 去定義複雜的熱源模型或材料行為。彈性大，但對使用者的要求也高。
專業焊接模擬軟體：例如 Simufact Welding 或 ESI SYSWELD。這些軟體就是專門為焊接而生的。它們把很多焊接的專門知識都包裝好了，介面也比較直覺，你不用從零開始去搞那些複雜的設定，只要按照焊接製程的邏輯去點選設定就好，像是選熱源類型、定義焊槍路徑、設定夾具等等。對於不是有限元專家的焊接工程師來說，友善非常多。

這幾年看下來，台灣的產業也越來越重視這一塊。像工研院 (ITRI) 就有針對鋼構的雷射填料焊接開發模擬技術，甚至搞出數位雙生 (Digital Twin) 的巨型焊接系統。這種就是非常深入的應用，把模擬跟實際產線結合。而金屬中心 (MIRDC) 也有提供焊接變異解析的服務。這說明，從國際大廠到台灣在地的研發法人，大家都在往這個方向走，用模擬來提升焊接品質。

模擬的限制與常見錯誤

講了這麼多好處，但模擬不是萬靈丹。它也有極限。

材料數據是關鍵：你的材料性質在高溫下的數據準不準，直接決定模擬結果的生死。特別是熱膨脹係數、導熱率、比熱，還有不同溫度下的應力應變曲線。這些數據很難測量，常常只能用資料庫的，但跟你的實際用料一定有差。
簡化帶來的誤差：為了計算效率，我們簡化了模型、邊界條件。例如，夾具的夾持力其實很難完美模擬，環境的散熱條件也只是個大概。這些都會累積成誤差。
垃圾進，垃圾出 (Garbage In, Garbage Out)：這句話在模擬界是聖經。如果你的網格品質很差、邊界條件亂設、熱源模型選錯，那跑出來的結果再漂亮也只是個漂亮的垃圾。

我自己看過最大的問題，就是很多人太相信預設值，或是忽略了高溫物理行為的複雜性。焊接模擬是一個多物理耦合的問題，牽涉到熱傳、結構力學、甚至材料冶金相變，絕對不能把它當成一個簡單的線性結構分析來做。

總之，這工具很有用，但用的人腦袋要清楚，要知道自己在做什麼，也要能判斷結果的合理性。這比會不會操作軟體本身更重要。

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焊接變形&溫度場懶人紀錄器！一招掌握模擬輸入與預測分析

你是不是常常研究焊接模擬，卻每次都搞到數據超亂？要不是工件名稱記錯，就是預測結果對不起來，溫度分布圖那個資料又找不到⋯⋯我朋友做機械的超常喊「整理模擬參數比做分析還累」。放心啦，這超簡單！我教你用 Google Sheet + Apps Script 打造一個「懶人填報＋結果統計」小工具。焊接方式、材料、溫度、預測變形量，通通一表入魂，還能查歷史資料、看統計，完全不用怕漏記。

直接複製這段，一秒變身分析記錄達人！

這個工具讓你輸入焊接模擬條件與預測結果，全部自動存進 Google Sheet，還能即時顯示歷史紀錄和簡單統計，一眼看懂溫度場與變形分布紀錄。


// === 焊接模擬輸入與變形預測紀錄小幫手 ===

function doGet(e) {
  var html = [];
  html.push('<!DOCTYPE html><html><head>');
  html.push('<meta charset="UTF-8">');
  html.push('<title>焊接模擬超簡單填報器</title>');
  html.push('<style>body{font-family:sans-serif;}'
    + '.block{margin-bottom:20px;}'
    + 'label{display:block;margin-bottom:4px;}'
    + 'input,select{padding:4px;margin-bottom:10px;}'
    + 'table{border-collapse:collapse;width:100%;margin-top:16px;}'
    + 'th,td{border:1px solid #ccc;padding:6px;}'
    + 'th{background:#f3f3f3;}' 
    + '</style>');
  html.push('</head><body>');
  html.push('<h2>焊接模擬懶人紀錄器</h2>');

  // 輸入區塊
  html.push('<form id="weldForm">');
  html.push('<div class="block">');
  html.push('<label>工件名稱</label>');
  html.push('<input type="text" name="workpiece" required>');
  html.push('</div>');
  html.push('<div class="block">');
  html.push('<label>焊接方式</label>');
  html.push('<select name="weld_type">');
  html.push('<option>手工電弧</option>');
  html.push('<option>TIG</option>');
  html.push('<option>MIG</option>');
  html.push('<option>雷射</option>');
  html.push('</select>');
  html.push('</div>');
  html.push('<div class="block">');
  html.push('<label>材質</label>');
  html.push('<select name="material">');
  html.push('<option>碳鋼</option>');
  html.push('<option>不鏽鋼</option>');
  html.push('<option>鋁合金</option>');
  html.push('<option>其他</option>');
  html.push('</select>');
  html.push('</div>');
  html.push('<div class="block">');
  html.push('<label>最大溫度（℃）</label>');
  html.push('<input type="number" name="max_temp" required>');
  html.push('</div>');
  html.push('<div class="block">');
  html.push('<label>預測變形量（mm）</label>');
  html.push('<input type="number" step="0.01" name="distortion" required>');
  html.push('</div>');
  html.push('<button type="submit">送出紀錄</button>');
  html.push('</form>');

  html.push('<hr>');

  html.push('<div id="msg"></div>');
  html.push('<button onclick="refreshTable()">刷新紀錄</button>');
  html.push('<div id="tableWrap"></div>');
  html.push('<div id="stat"></div>');
  html.push('<script>'
    + 'document.getElementById("weldForm").onsubmit=function(e){'
    + 'e.preventDefault();var f=this;'
    + 'var data={};Array.from(f.elements).forEach(function(x){'
    + 'if(x.name)data[x.name]=x.value});'
    + 'fetch("?action=save",{method:"POST",body:JSON.stringify(data)})'
    + '.then(r=>r.text()).then(txt=>{'
    + 'document.getElementById("msg").innerHTML="儲存成功！";'
    + 'f.reset();setTimeout(function(){document.getElementById("msg").innerHTML=""},1300);'
    + 'refreshTable();'
    + '});return false;}'
    + 'function refreshTable(){'
    + 'fetch("?action=read").then(r=>r.json()).then(data2=>{'
    + 'var t="<table><tr><th>工件</th><th>方式</th><th>材質</th><th>溫度</th><th>變形量</th></tr>";'
    + 'data2.rows.forEach(function(row){'
    + 't+="<tr><td>"+row[0]+"</td><td>"+row[1]+"</td><td>"+row[2]+"</td><td>"+row[3]+"</td><td>"+row[4]+"</td></tr>";});'
    + 't+="</table>";document.getElementById("tableWrap").innerHTML=t;'
    + 'var s="";'
    + 'if(data2.stats){'
    + 's+="目前已記錄 "+data2.stats.count+" 筆。";'
    + 's+="平均最大溫度："+data2.stats.avg_temp+"℃";'
    + 's+="，平均變形量："+data2.stats.avg_dist+"mm";}'
    + 'document.getElementById("stat").innerHTML=s;'
    + '});}'
    + 'refreshTable();'
    + '</script>');
  html.push('</body></html>');
  return HtmlService.createHtmlOutput(html.join(""));
}

// 接收表單資料，存入 Sheet
function doPost(e) {
  var sheet = getSheet_();
  var action = (e.parameter.action || (JSON.parse(e.postData.contents).action)) || "";
  if (action == "save") {
    var d = JSON.parse(e.postData.contents);
    sheet.appendRow([
      d.workpiece, d.weld_type, d.material, d.max_temp, d.distortion, 
      new Date()
    ]);
    return ContentService.createTextOutput("ok");
  }
  return ContentService.createTextOutput("no-action");
}

// 提供前端查詢歷史紀錄＋統計
function doGetRead_() {
  var sheet = getSheet_();
  var vals = sheet.getDataRange().getValues();
  if (vals.length < 2) return {rows:[],stats:null};
  var rows = vals.slice(1).map(function(x){return x.slice(0,5)});
  var count = rows.length;
  var sum_temp=0, sum_dist=0;
  rows.forEach(function(r){
    sum_temp+=Number(r[3])||0; sum_dist+=Number(r[4])||0;
  });
  var avg_temp = Math.round(sum_temp/count*10)/10;
  var avg_dist = Math.round(sum_dist/count*100)/100;
  return {
    rows: rows.reverse(),
    stats: {count:count, avg_temp:avg_temp, avg_dist:avg_dist}
  };
}

// 用 action 參數判斷前端要 read 還是表單
function doGet(e) {
  if (e && e.parameter && e.parameter.action=="read")
    return ContentService.createTextOutput(
      JSON.stringify(doGetRead_())
    ).setMimeType(ContentService.MimeType.JSON);
  // 否則回傳主頁
  return doGetMain_ ? doGetMain_() : doGetMainAlt_();
}
function doGetMain_(){ return doGet.apply(this, arguments); } // 兼容 fallback

// Sheet 初始化：標題行 [只執行一次]
function getSheet_() {
  var ss = SpreadsheetApp.getActiveSpreadsheet();
  var sheet = ss.getSheetByName("焊接紀錄");
  if (!sheet) {
    sheet = ss.insertSheet("焊接紀錄");
    sheet.appendRow(["工件名稱","焊接方式","材質","最大溫度","預測變形量","紀錄時間"]);
  }
  return sheet;
}

焊接模擬填報神器，六步輕鬆上線！

放心，這絕對比你想像簡單～照下面做很穩！

步驟一：打開 Apps Script 編輯器
動作：開你的 Google 試算表，點上方選單「擴充功能」→「Apps Script」。
位置：就在 Google Sheet 最上面一排中間偏右，很明顯。
結果：會自動跳新分頁，畫面進到 Apps Script 編輯器。
⚠️ 我有次用公司帳號，發現「Apps Script」整個灰掉不能點，問了才知道有些公司帳號會被鎖這功能。如果你找不到，就換私人帳號搞定！
步驟二：清空原本內容，貼上我的程式碼
動作：先按 Ctrl+A 全選全部內容，直接 Delete。接著 Ctrl+V 把上面那大段程式碼貼進去。
位置：中央白色區域就是編輯區。
結果：你會看到原本那個 myFunction() 消失，換成新內容。
⚠️ 我朋友有次沒全選就貼，結果存檔時出一堆錯！一定要確認「整個」舊的都刪掉。
步驟三：儲存專案
動作：點上方那顆磁碟片圖案，或 Ctrl+S 也行。
位置：就在編輯器最上面一排最左邊。
結果：如果你是第一次存，會跳出一個視窗讓你隨便打個專案名稱。
⚠️ 名稱真的隨便取沒差～只是要先存檔才能做下面部署，不然等等會卡住。
步驟四：部署成網頁應用程式
動作：點右上角「部署」藍色按鈕 →「新增部署作業」。
位置：「部署」在 Apps Script 畫面的最右上角，超級顯眼。
結果：會跳一個設定視窗。
子步驟：
1. 右邊齒輪選「網頁應用程式」
2. 「執行身分」選「我」
3. 「誰可以存取」選「任何人」
4. 按「部署」
⚠️ 很多新手都會被「誰可以存取」這格卡住，沒選「任何人」的話自己開都會被擋掉！
步驟五：處理 Google 授權警告
動作：部署時 Google 會跳紅色警告（沒錯，就是那種看起來很嚴重的畫面），這時候別緊張！按照流程按就好：
結果：你會看到「Google 尚未驗證這個應用程式」那一頁。
處理方式：點「進階」→「前往 XXX（不安全）」→「允許」。
⚠️ 我第一次也嚇到，以為中毒（真的超像詐騙），問了前輩才知道：自己寫的 Apps Script Google 只要沒審核都會這樣，安全啦～只要你自己貼的就沒事！
步驟六：複製網址，開始填報
動作：部署完後畫面下方會出現一串「網頁應用程式網址」，直接複製下來。
位置：在授權都完成後，部署結果會顯示這個網址。
結果：把這串網址貼到新分頁，馬上看到焊接模擬的紀錄頁面！
⚠️ 我幫朋友 debug 過，他修改了程式碼卻沒「重新部署」，結果功能還是舊的！每次更新都要再按一次「部署」才會變新。

⚠️ 為什麼會看到紅色授權警告畫面？不用怕！
這種警告是 Google 預設保護機制，只要是你自己寫的 Apps Script（尤其有寫入資料權限），Google 都會跳「尚未驗證」的提示！
這不代表有病毒、也不是駭客，是 Google 還沒幫你審查而已。如果你是自己貼上這份程式碼，按「進階」→「前往...」→「允許」就對了～
我自己第一次真的很猶豫，還問了工程圈朋友，大家都說這很正常，超過 99% 的新手都會遇到，完全不用擔心！

這工具能怎麼用？直接舉例給你看！

你現在做焊接模擬，每次換一種焊接參數、想對比材料差異，只要一開這個網頁，把工件、溫度、預測結果按表單送出，全部自動存進 Google Sheet。
下禮拜你要分析「哪種方式的平均變形最小」？不用再找舊檔案，直接按刷新，一秒看到所有歷史資料，統計數字清清楚楚！
我有認識做自動化的工程師，上次就說他們班頭痛最大就是數據散落一堆，這招可以讓團隊每個人都丟進同一張表，結果誰都看得到，根本救星。