ISO 18166
(Main)Numerical welding simulation — Execution and documentation
Numerical welding simulation — Execution and documentation
ISO/TS 18166:2016 provides a workflow for the execution, validation, verification and documentation of a numerical welding simulation within the field of computational welding mechanics (CWM). As such, it primarily addresses thermal and mechanical finite element analysis (FEA) of the fusion welding (see ISO/TR 25901:2007, 2.165) of metal parts and fabrications. CWM is a broad and growing area of engineering analysis. ISO/TS 18166:2016 covers the following aspects and results of CWM, excluding simulation of the process itself: - heat flow during the analysis of one or more passes; - thermal expansion as a result of the heat flow; - thermal stresses; - development of inelastic strains; - effect of temperature on material properties; - predictions of residual stress distributions; - predictions of welding distortion. ISO/TS 18166:2016 refers to the following physical effects, but these are not covered in depth: - physics of the heat source (e.g. laser or welding arc); - physics of the melt pool (and key hole for power beam welds); - creation and retention of non-equilibrium solid phases; - solution and precipitation of second phase particles; - effect of microstructure on material properties. The guidance given by this Technical Specification has not been prepared for use in a specific industry. CWM can be beneficial in design and assessment of a wide range of components. It is anticipated that it will enable industrial bodies or companies to define required levels of CWM for specific applications. This Technical Specification is independent of the software and implementation, and therefore is not restricted to FEA, or to any particular industry. It provides a consistent framework for-primary aspects of the commonly adopted methods and goals of CWM (including validation and verification to allow an objective judgment of simulation results). Through presentation and description of the minimal required aspects of a complete numerical welding simulation, an introduction to computational welding mechanics (CWM) is also provided. (Examples are provided to illustrate the application of this Technical Specification, which can further aid those interested in developing CWM competency). Clause 4 of this Technical Specification provides more detailed information relating to the generally valid simulation structure and to the corresponding application. Clause 5 refers to corresponding parts of this Technical Specification in which the structure for the respective application cases is put in concrete terms and examples are given. Annex A presents a documentation template to promote the consistency of the reported simulation results.
Simulation numérique de soudage — Exécution et documentation
L'ISO/TS 18166:2016 fournit une séquence d'exécution, de validation, de vérification et de documentation d'une simulation numérique de soudage dans le domaine de la mécanique du solide. À cet effet, l'ISO/TS 18166:2016 traite principalement de l'analyse thermique et mécanique, par la méthode des éléments finis, du soudage par fusion (voir ISO/TR 25901:2007, 2.165) d'assemblages métalliques. La simulation numérique du soudage est une discipline en plein essor dans le domaine de l'ingénierie. L'ISO/TS 18166:2016 couvre les aspects et résultats suivants de la simulation numérique du soudage, à l'exclusion de la simulation du procédé en lui-même: - le flux thermique pendant l'analyse d'une ou de plusieurs passes; - la dilatation thermique qui résulte de la conduction thermique; - les contraintes d'origine thermiques; - le développement de déformations plastiques; - l'effet de la température sur les propriétés des matériaux; - la prédiction de la distribution des contraintes résiduelles; - la prédiction des déformations générées par le soudage. L'ISO/TS 18166:2016 fait référence aux effets physiques suivants, mais elle ne les traite pas de manière approfondie: - physique de la source de chaleur (par exemple, un laser ou un arc de soudage); - physique du bain de fusion (et du key hole pour les soudures par faisceau d'électrons); - création et rétention de phases solides en hors équilibre; - solution et précipitation de particules de seconde phase; - effet de la microstructure sur les propriétés des matériaux. Les préconisations de l'ISO/TS 18166:2016 n'ont pas été élaborées pour être utilisées dans un secteur spécifique. La simulation numérique du soudage peut être bénéfique dans la conception et dimensionnement de nombreuses pièces. La présente Spécification technique comporte différents niveaux de mise en ?uvre qui offrent à l'utilisateur une estimation du degré précision permettant aux sociétés ou aux organismes industriels de définir les niveaux exigés en simulation numérique du soudage pour leurs applications spécifiques. L'ISO/TS 18166:2016 n'est pas dépendante du logiciel et de la mise en ?uvre. Elle n'est dès lors pas exclusivement destinée à l'analyse par éléments finis ni à un secteur en particulier. L'ISO/TS 18166:2016 offre un cadre cohérent pour les principaux aspects des méthodes et objectifs couramment adoptés pour la simulation numérique du soudage (y compris la validation et la vérification en vue de formuler un jugement objectif sur les résultats de simulation). L'ISO/TS 18166:2016 propose également une introduction à la simulation numérique du soudage, avec la présentation et la description des critères minimum exigés d'une simulation numérique de soudage complète. (Des exemples qui peuvent aider les personnes souhaitant développer des compétences en simulation numérique du soudage sont donnés pour illustrer l'application de l'ISO/TS 18166:2016.)
General Information
Relations
Standards Content (Sample)
FINAL DRAFT
International
Standard
ISO/FDIS 18166
ISO/TC 44
Numerical welding simulation —
Secretariat: AFNOR
Execution and documentation
Voting begins on:
Simulation numérique de soudage — Exécution et documentation 2025-10-14
Voting terminates on:
2025-12-09
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO SUBMIT,
WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION OF ANY
RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH THEY ARE AWARE
AND TO PROVIDE SUPPOR TING DOCUMENTATION.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO
ISO/CEN PARALLEL PROCESSING LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES, DRAFT
INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON OCCASION HAVE
TO BE CONSIDERED IN THE LIGHT OF THEIR POTENTIAL
TO BECOME STAN DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE
MADE IN NATIONAL REGULATIONS.
Reference number
ISO/FDIS 18166:2025(en) © ISO 2025
FINAL DRAFT
ISO/FDIS 18166:2025(en)
International
Standard
ISO/FDIS 18166
ISO/TC 44
Numerical welding simulation —
Secretariat: AFNOR
Execution and documentation
Voting begins on:
Simulation numérique de soudage — Exécution et documentation
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RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO SUBMIT,
WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION OF ANY
RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH THEY ARE AWARE
AND TO PROVIDE SUPPOR TING DOCUMENTATION.
© ISO 2025
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS
All rights reserved. Unless otherwise specified, or required in the context of its implementation, no part of this publication may
BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNO
ISO/CEN PARALLEL PROCESSING
LOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES, DRAFT
be reproduced or utilized otherwise in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on
INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON OCCASION HAVE
the internet or an intranet, without prior written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below
TO BE CONSIDERED IN THE LIGHT OF THEIR POTENTIAL
or ISO’s member body in the country of the requester.
TO BECOME STAN DARDS TO WHICH REFERENCE MAY BE
MADE IN NATIONAL REGULATIONS.
ISO copyright office
CP 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Geneva
Phone: +41 22 749 01 11
Email: copyright@iso.org
Website: www.iso.org
Published in Switzerland Reference number
ISO/FDIS 18166:2025(en) © ISO 2025
ii
ISO/FDIS 18166:2025(en)
Contents Page
Foreword .v
Introduction .vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Abbreviated terms . 3
5 Principle . 4
6 Scientific Computation Tools (SCTs) . 4
7 Required data for simulation . 5
8 Formulation of the problem and establishment of the simulation strategy . 5
9 Establishment of the input parameters . 8
9.1 Input data .8
9.2 Simulation template .8
10 Geometry and mesh . 8
10.1 Geometry and mesh of welded joint .8
10.2 Mesh size .8
10.3 Type of elements .8
10.4 Modelling of the filler material .9
11 Performing the simulation . 9
11.1 Code verification .9
11.2 Thermal and metallurgical computations .10
11.2.1 General .10
11.2.2 Focus on metallurgical transformations .10
11.2.3 Modelling of heat source.10
11.2.4 Boundary and initial thermal conditions .11
11.3 Thermomechanical computation for residual stresses prediction .11
11.3.1 General .11
11.3.2 Model parameters adjustments .11
11.3.3 Materials with phase transformations .11
11.3.4 Boundary and initial thermomechanical conditions .11
11.4 Monitoring the solution during computation. 12
12 Simulation post-processing .12
12.1 General . 12
12.2 Cross-section of fusion zone . 12
12.3 Transient evolution of temperatures . 12
12.4 Phases and residual stresses and strains distributions . 12
13 Comparing/challenging the results.13
13.1 General . 13
13.2 Calculation verification . 13
13.3 Validation .14
13.3.1 General .14
13.3.2 Validation process .14
13.3.3 Lack of knowledge . .14
13.3.4 Validation experiment guidelines . 15
13.3.5 Additional validation and verification activities . 15
14 Uncertainty quantification .15
15 Reporting/display of results .16
15.1 General .16
iii
ISO/FDIS 18166:2025(en)
15.2 Objective of welding simulation .16
15.3 Material properties and input data .16
15.4 Geometry and mesh .16
15.5 Numerical model parameters .17
15.6 Analysis of results .17
Annex A (informative) Technical specification of scientific computation tools for numerical
welding simulation/computational weld mechanics .18
Annex B (informative) Documentation template.20
Annex C (informative) Heat source modelling and calibration .26
Annex D (informative) Guidelines for validation experiment .35
Annex E (informative) Characterizing, tracing, and managing uncertainty in computational
weld mechanics and real-world systems .37
Annex F (informative) Mechanical properties of materials .39
Bibliography .46
iv
ISO/FDIS 18166:2025(en)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through
ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee
has been established has the right to be represented on that committee. International organizations,
governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely
with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are described
in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the different types
of ISO document should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the
ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
ISO draws attention to the possibility that the implementation of this document may involve the use of (a)
patent(s). ISO takes no position concerning the evidence, validity or applicability of any claimed patent
rights in respect thereof. As of the date of publication of this document, ISO had not received notice of (a)
patent(s) which may be required to implement this document. However, implementers are cautioned that
this may not represent the latest information, which may be obtained from the patent database available at
www.iso.org/patents. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and expressions
related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the World Trade
Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see www.iso.org/iso/foreword.html.
his document has been prepared by Technical Committee ISO/TC 44, Welding and allied processes, in
collaboration with the European Committee for Standardization (CEN) Technical Committee CEN/TC 121,
Welding and allied processes, in accordance with the Agreement on technical cooperation between ISO and
CEN (Vienna Agreement).
This first edition of ISO 18166 cancels and replaces ISO/TS 18166:2016, which has been technically revised.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s
national standards body. A complete listing of these bodies can be found at
www.iso.org/members.html. Official interpretations of TC 44 documents, where they exist, are available
from this page: https://committee.iso.org/sites/tc44/home/interpretation.html.
v
ISO/FDIS 18166:2025(en)
Introduction
This document is not intended for use in a specific industry or with a specific software. Commercial tools
are not excluded. This document is beneficial for the design, manufacturing and assessment of a wide range
of components if the physical phenomena, software and numerical methods meet the specifications of the
scientific computational tools (SCTs) defined in Annex A.
This document can be used by industrial entities to define their requirements for specific applications of
computational welding mechanics (CWM).
vi
FINAL DRAFT International Standard ISO/FDIS 18166:2025(en)
Numerical welding simulation — Execution and
documentation
1 Scope
This document specifies the execution, validation, verification and documentation of a numerical welding
simulation within the field of computational welding mechanics (CWM) and performed with a scientific
computational tool (SCT).
This document is applicable to the thermal and mechanical finite element analysis (FEA) of arc, laser and
electron beam welding processes for the purpose of calculating the effects of welding processes, and in
particular, residual stresses and distortion, in support of structural integrity assessment.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content constitutes
requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO/TR 25901-1, Welding and allied processes — Vocabulary — Part 1: General terms
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/TR 25901-1 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— ISO Online browsing platform: available at https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: available at https:// www .electropedia .org/
3.1
accuracy
closeness of agreement between a measured quantity value and a true quantity value of a measurand
Note 1 to entry: The term measurand is defined by the VIM (ISO/IEC Guide 99:2007, 2.3) as a “quantity intended to be
measured”.
[SOURCE: ISO/IEC Guide 99 :2007, 2.13, modified — Note 1 to entry has been added.]
3.2
calculation strategy
set of modelling (and simulation) choices to perform a numerical simulation
Note 1 to entry: A calculation strategy defines the choice of physical models and of the coupling physics between
models, the correlations, the discretization both spatial (mesh) and temporal (time step), the calculation options.
3.3
calibration
process of adjusting modelling parameter values of the scientific computing tool
Note 1 to entry: Calibration improves agreement between the calculated values and the reference values.
ISO/FDIS 18166:2025(en)
3.4
distortion
permanent deformation resulting in a change in shape of a solid body
3.5
evaluation criteria
essential metrics used to assess and compare the relative significance of each phenomenon
Note 1 to entry: The importance rank of a particular phenomenon is a measure of its relative influence on the selected
evaluation criteria.
Note 2 to entry: Adapted from Reference [17].
3.6
greedy algorithm
algorithm that follows the problem-solving heuristic of making the locally optimal choice at each stage
Note 1 to entry: In many cases, a greedy strategy does not produce an optimal solution, but a greedy heuristic can
yield locally optimal solutions that approximate a globally optimal solution in a reasonable amount of time.
3.7
heat flux
rate at which thermal energy is transferred through a unit area of surface
3.8
heat source
spatial and temporal numerical distribution of the thermal energy transferred to the weldment
by the welding process
3.9
numerical simulation
implementation of one or more scientific computing tools (3.11), with calculation strategies (3.2) and input
data, to produce numerical results describing the evolution of a physical situation
3.10
power density
amount of thermal power absorbed or generated per unit volume
3.11
scientific computing tool
SCT
software for numerical simulation (3.9) of physical phenomena
Note 1 to entry: An SCT may consist of one or more solvers and include pre- and post-processors.
Note 2 to entry: SCTs use computational methods to solve science and engineering problems.
Note 3 to entry: Refer to Annex A for technical specifications of SCTs.
3.12
reference scientific computing tool
scientific computing tool (3.11) for which the predictive performance is considered to be superior to that
expected of the scientific computing tool to be validated
3.13
scope of utilization
situations and scenarios studied using the scientific computing tool (3.11) for computational welding
mechanics
3.14
spatial discretization
distribution and type of the geometric units for subdividing the geometric model
ISO/FDIS 18166:2025(en)
3.15
temporal discretization
step size and number of time units for subdividing the duration being modelled
3.16
validation case
data set considered to be pertinent and selected for carrying out separate effects or integral validation of a
scientific computing tool (3.11)
Note 1 to entry: Data set can be experimental test, operating experience feedback, simulation using a reference
scientific computing tool (3.12), analytical solution, etc.
3.17
validation experiment
experiment designed to validate the simulation results taking into account all relevant data and their
uncertainty
3.18
validation file
document in which all the results of the validation of a scientific computing tool (3.11) are inventoried
3.19
verification file
document in which all the results of the verification of a scientific computing tool (3.11) are inventoried
4 Abbreviated terms
For the purposes of this document, the abbreviated terms given in Table 1 apply.
Table 1 — Abbreviated terms
Abbreviated term Definition
2D two dimensional
3D three dimensional
CTE coefficient of thermal expansion
CWM computational weld mechanics
EBW electron beam welding
FEA finite element analysis
GMAW gas metal arc welding
GTAW gas tungsten arc welding
HAZ heat-affected zone
PIRT phenomena identification ranking table
PWHT post weld heat treatment
QI quantities of interest
SAW submerged arc welding
SCT scientific computation tool
SMAW shielded metal arc welding
WPS welding procedure specification
WPQR welding procedure qualification record
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5 Principle
The thermomechanical numerical simulation of welding is mainly based on the finite element method. It
consists of a WPS implemented in an SCT for CWM, pre- and post-processing tools, and verification and
validation methods (see References [18] and [19]).
The CWM problem is generally defined as a three-dimensional solid element model employing a moving
heat source with simultaneous calculation of temperature, microstructure, displacement and stresses,
utilizing elastoplastic constitutive law based on material properties ranging from room temperature up to
the melting temperature.
It requires the geometric modelling of the part to be joined in the form of a mesh, the modelling of the
initial and boundary conditions and the definition of materials behaviours. From the spatial and temporal
discretization, the SCT allows the resolution of a heat transfer problem with transient heat source, with
possibly the determination of metallurgical transformations and the thermomechanical calculation of
residual stresses, strains and distortions. The pre- and post-processing tools may be different from the SCT.
However, it is the set of tools used for the intended studies that is the subject of the recommendations of this
document.
6 Scientific Computation Tools (SCTs)
An SCT for numerical welding simulation has specific capabilities compared to conventional FEA software.
The SCT shall enable the calculation of the quantities of interest with an uncertainty level appropriate to
intended use of the studies. The SCT shall enable the implementation solution of a CWM problem following
all the recommendations of this document.
In order to follow all the recommendations of this document the SCT shall:
— create 2D and 3D meshes of single and multi-pass welded joints (see Clause 10);
— visualize and export the quantities of interest (see Clause 8);
— define and verify the heat source according to space and time coordinates (see 11.2.3);
— access to solver parameters of accuracy, convergence, numerical schemes in order to be able to carry out
a spatial and temporal convergence study (see 11.1);
— simulate the spatio-temporal evolution of the temperature (see 11.2.3);
— simulate the phase transformations if any (see 11.3.3);
— couple thermomechanics with metallurgical effects (see 11.2).
The SCT should:
— simulate the addition of filler metal;
— activate and deactivate elements during a simulation;
— consider viscous and creep effects especially when PWHT is of concern;
— simulate the temperature and the cyclic behaviour of the materials, recovery effects, and transformation
induced plasticity.
The SCT should use and have a library of:
— validated and verified material data;
— cases for verification and validation.
The user may also add their own data and their own verification and validation cases.
ISO/FDIS 18166:2025(en)
7 Required data for simulation
In order to ensure a representative modelling, the user shall have enough information on the way the
welding was carried out that may be obtained from a welding book, from the description and qualification of
the welding procedures specifications (WPS) or from a production report.
The user shall have access to the following:
— fabrication procedure records, detailing how the structure was manufactured, such as intermediate
machining operations and shaving;
— design/construction drawings defining the nominal component geometry and dimensions;
— weld groove geometry (from drawings or WPS);
— weld procedure information, type of process, heat input per unit length of weld, welding voltage, current
and welding speed, deposit flow rate, type of cover gas, filler metal, welding position, number and
arrangement of passes, their trajectory, their sequence as well as the requirements for finishing and root
passes, and buttering;
— the characteristics of external clamping devices, interpass and pre and post temperatures requirements;
— applied mechanical restraint;
— appropriate thermomechanical properties from test certificates (or specifications);
— plant survey data characterising the constructed weldment geometry and dimensions (actual dimensions,
distortion effects, root penetration, presence of cap etc.);
— an etched macrograph showing a cross section of the weldment normal to the welding direction which
may be used to define the local geometry, number of weld passes, weld pass sequence and possibly the
weld heat input, hardness, metallography;
— construction records – photographs, weld dressing, inspection certificates (radiographs, etc.), repairs,
PWHT conditions, proof test conditions.
If any of this information is not available, the user may use data from a similar WPS or obtained from expert
advice, that shall be justified.
8 Formulation of the problem and establishment of the simulation strategy
This Clause gives the user a method regarding the quantities of interest, to select the predominant physical
phenomena, identifying the sources of uncertainty, and deducing the appropriate assumptions and modelling
strategies. Annex E offers supplementary guidance and informational material.
The selection of physical phenomena results from a whole process, which depends on the problem and the
objectives of calculation, and that shall be justified by the user.
By identifying the physical phenomena, prioritizing them, specifying the state of knowledge, the available
data, the uncertainties, and the maturity of the models and codes, the user should find the appropriate
assumptions and modelling strategies. To do this, the following questions should be answered:
— What is the objective of the welding simulation?
— How will the results be used and what level of conservatism and confidence is required?
— What are the quantities of interest?
— What are the physical phenomena involved? Are they separable?
— What are their effects on the quantities of interest?
— Are tests to observe them available? What kind of tests, with separable or integral effects?
ISO/FDIS 18166:2025(en)
— Is the method to model them known? What is the level of knowledge regarding the availability of data
and models of the computational codes?
— How does the model capabilities of modelling and lack of knowledge, impact the capacity to simulate the
dominant physical phenomena?
— Do the materials exhibit phase transformations? Have they been heat treated before welding? Are viscous
phenomena to be taken into account?
— How precisely should the process be modelled?
— What are the time and space scales, what physical phenomena are steady-state, transient, spatial 2D, 3D,
axisymmetric, and what are the appropriate modelling details?
To answer these questions, users should use Table 2 and Table 3 (see References [15], [16] and [17]) below
with the help of other experts in the same field. A three-level scale is used to rank:
— the effects of phenomena, model parameters on quantities of interest;
— the level of knowledge regarding the availability of data and models.
Table 2 — Importance level (I) of physical phenomena on quantities of interest
Rank Weight Definition – Effect Implication
The phenomenon has a significant or The phenomenon should be explicitly considered
High (H) 1,0 dominant impact on any of the evalua- in experimental programs and modelled with
tion criteria. high accuracy in computational tools.
The phenomenon has only a moderate Experimental studies and modelling are required,
Medium (M) 0,5
impact on the evaluation criteria. but the scope and accuracy may be compromised.
The phenomenon should be exhibited experi-
The phenomenon has small or no impact
Low (L) 0,0 mentally and considered in computational tools.
on the evaluation criteria.
However, almost any model is sufficient.
NOTE The overall importance level (I) for a phenomenon is calculated from the votes of each participating expert
through Formula (1):
10,,NN++05 00, N
HM L
I= (1)
NN++N
HM L
where N , N and N refer to the numbers of “High”, “Medium” and “Low” importance votes, respectively and the
H M L
numerical values are the weights defined for these importance levels; see Table 2.
Table 3 — Level of knowledge (KL) regarding availability of data and models
Rank Weight Availability of data Availability of models
The phenomenon is well understood.
Data obtained for the welding configu- Models that are validated for application to weld-
Adequate (A) 1,0
ration are available in sufficient range, ing configuration are available.
quantity and quality.
The phenomenon is understood. Data
obtained for the welding configuration The phenomenon may only be modelled with
are available, but not in sufficient range, moderate uncertainty or approximately modelled,
Some (S) 0,5 quantity or quality. Alternatively, data e.g. by lower order models or models for similar
pertinent to other conditions exist and phenomena that maybe extrapolated to the weld-
maybe extrapolated to the welding con- ing configuration.
figuration.
No validated models exist. Modelling the phenom-
The phenomenon is not well understood.
None (N) 0,0 enon is currently either not possible or is possible
No relevant data exist.
only with large uncertainty.
ISO/FDIS 18166:2025(en)
NOTE Likewise, the overall knowledge levels (K) with regard to data and models were calculated separately
through Formula (2):
10,,NN++05 00, N
AS N
K = (2)
NN++N
AS N
where N , N and N refer to the numbers of Adequate, Some and None level of knowledge votes, respectively, and the
A S N
numerical values are the weights defined for the level of knowledge; see Table 3.
The user, with the help of other experts regarding the quantities of interest of the welding configuration,
identifies the physical phenomena, and ranks them in terms of impact on the evaluation criteria on quantities
of interest. The user identifies the model and data and ranks them in terms of availability and level of
knowledge. Based on the importance ranking and knowledge level, the user determines the phenomena that
need further consideration and the simulation strategy.
The evaluation criteria are essential metrics used to assess and compare the relative significance of each
phenomenon. A graphical representation [I (Importance Level) vs. K (Knowledge Level)] is shown in Figure 1
th
and the relative importance of the i physical phenomena is assessed by Formula (3):
D M
IK×−11−K
()()
ii i
R = (3)
i
D M
max IK×−11−K
()()
ii i
i
D M
where I is the importance level of the i th phenomenon, and K and K are the knowledge levels for
i i i
data and models, respectively.
Figure 1 — Graphical representation [I (Importance Level) vs K (Knowledge Level)]
For example, for phenomena with high impact on the quantities of interest but with no relevant data or
model, the user should then supplement the data to reduce uncertainties or modify the model by ensuring
a conservative approach. Another example, the heat source power per unit volume distribution modelling
has a high importance on the level of residual stresses. Thus, an adequate level of knowledge of mechanical
behaviour as a function of temperature is required to achieve best-estimate simulations (see Annex C).
ISO/FDIS 18166:2025(en)
9 Establishment of the input parameters
9.1 Input data
From the data of the physical problem to be simulated, in particular the configuration and the simulation
strategy, the user establishes the material data to be considered (thermo-physical, thermo-mechanical, and
thermo-metallurgical material properties across the temperatures of interest), the parameters of the model
and the solver, the applicable boundary conditions, the geometrical modelling and the simulation domain.
9.2 Simulation template
The user should link the input data in a preparation frame for the simulation data. The user should
summarise the objective of the simulation (by specifying the quantities of interest), the hypotheses and
choices of modelling and simulation, the verifications and validations carried out and the results obtained.
The user may use the form given as example in Annex B.
In addition, the user may make full or partial use of a subroutine automating preprocessing operations in the SCT
such as data setting from the template in Annex B, thus limiting user related copying and interpretation errors.
10 Geometry and mesh
10.1 Geometry and mesh of welded joint
The user shall represent the geometry of the weld and the size of the passes.
The user should use a three-dimensional (3D) geometric model. However, depending on the configuration, the
user may assume a two-dimensional (2D) plane strain state perpendicular to the weld or 2D axisymmetric
modelling. The user should then justify these assumptions and assess the related uncertainties and the
impact on the quantities of interest.
10.2 Mesh size
A sufficient degree of mesh refinement should be used, in the weld and adjacent HAZ regions, to model the
gradients of temperature that occur during welding and to resolve the evolution of residual stresses.
Outside of the weld and HAZ region, the user should prudently coarsen the mesh in order to contain the
model size, while ensuring that the mesh is sufficiently refined in the areas of structural concern, which may
not necessarily be local to the weld.
The user may perform preliminary mesh refinement studies to optimise the analysis requirements. Spatial
discretization shall be considered with the evolution of physical phenomena and quantities of interest over
time and space.
10.3 Type of elements
First order finite elements should be used for thermal simulation. In thermomechanical simulation, finite
elements suitable for materials with elastoplastic behaviour according to the Von Mises criterion shall be
used. For example, the user may use sub-integrated second order elements or selectively integrated first
order elements.
The mesh for thermomechanical simulation may be a different mesh than one used for thermal simulation.
The temperature fields of the thermal simulation are then transferred to the mesh for thermomechanical
simulation. The transfer method shall ensure the integrity of transferred field. For that purpose, the user
should perform sensitivity analyses to evaluate the impact on the quantities of interest. Similarly, the
user may choose a thermal simulation mesh different from the one used during heat source fitting such
as described in Annex C. The user should then ensure that changing size of the mesh does not significantly
affect the thermal predictions or the power transmitted to the weldment.
ISO/FDIS 18166:2025(en)
10.4 Modelling of the filler material
A method of activating and deactivating the bead elements should be used to simulate the weld material
deposition for thermomechanical calculation. For mechanical calculation, among other methods,
deactivation may be realized by reducing the Young's modulus value by three orders of magnitude from its
ambient temperature value, or by choosing a Young's modulus value that is close to its melting temperature
value. Activation may be accomplished by assigning the elements their original properties and behaviour. As
passes are added, the beads of which the elements have been deactivated are sequentially added back to the
model. The user may use activation/deactivation with both imposed temperature or imposed heat flux.
In addition, the user should:
— ensure that the volume of the deposited material is consistent with a macrograph of the weldment cross-
section;
— activate elements when they’re below the solidus temperature or, as a minimum, activate each pass at
the beginning of the deposition;
— assign properties to deactivated elements that do not significantly impact the heat transfer and
mechanical rigidity of the structure.
11 Performing the simulation
11.1 Code verification
Code verification is a formalized process to determine if equations are resolved correctly. The user should
carry out verification test(s) and should not entirely rely on the verifications carried out by the SCT supplier
but on global or elementary tests (in terms of size of the problem or the number of physical phenomena):
— compare with results from other SCTs or previous version of the SCT;
— compare with results from analytical solution.
During verification, the user should also pay attention to the following:
— the conformance of the modelling with the physical problem, operating parameters (geometry, position,
welding axis, sequence of material passes, etc.), with the boundary conditions (clamping, interpass
temperature) and loads;
— a correct and adapted numerical resolution regarding mesh convergence and time;
— verification of material behaviour using a single element model;
— the control of local or global results consistent with forces and moments equilibrium conditions.
The framework shown in Annex B provides a template file that summarises the CWM input data making it
possible for the user to ensure that all necessary data are available, and that the validity of these data has
been verified before starting any simulation. A good practice is that any item contributing to the verification
should be recorded in a verification folder. The template in Annex B provides a means of recording, the
analysis of the problem, the modelling choices and the meshing. The user should check the conformity of
the modelling, the boundary conditions and loadings with the operating configuration, and the simulation
strategy listed in the simulation template.
For boundary conditions and loadings, the user shall check that:
— the interpass temperature, pre and post heating protocols are correctly simulated;
— the mechanical clamping, heat source, convection and radiation models are applied to the right areas.
The user should ensure that the choices of time step and spatial discretization for the mesh are consistent
with the evolution of the physical phenomena and the quantities of interest.
ISO/FDIS 18166:2025(en)
Testing of the numerical model should also be performed, with a coarser mesh, time steps variations, change
of convergence criteria. The user should also check the appropriate application of the heat source (power
transmitted to the weldment and the trajectory) and the realistic phase fraction evolution during simulation.
Secondly, the user should plot the evolution of the parameters of the material laws as a function of
temperature and phases and compare them on the same chart with similar data from literature or previous
analyses.
The user should control the correct numerical implementation of models, especially the thermomechanical
behaviour. Among other methods, the user should simulate four thermal cycles, one at the centre of the pass,
one at its border (L/2), one at a distance L and the last at 3L/2 (where L is the width of the pass). Then,
after extraction and verification of the temperature cycles are realistic, the user should simulate a blocked
dilatometry test (Satoh test, see Reference [13]) using each thermal cycle as thermal loading. The user
should determine the consistency of the transient stresses over the thermal cycle and the sensitivity of the
results to the time step resolution.
11.2 Thermal and metallurgical computations
11.2.1 General
The spatial and temporal evolution of the temperature in the part and the distribution of metallurgical
phases precede the stress calculations.
11.2.2 Focus on metallurgical transformations
In case the metallurgical solid-state transformations (phase or precipitation) impact the thermophysical
properties, the user shall choose one of the following calculation strategies:
— simulate phase transformations after thermal simula
...
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Secretariat: AFNOR
Date: 2025-07-09
Numerical welding simulation — Execution and documentation
Simulation numérique de soudage — Exécution et documentation
FDIS stage
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Published in Switzerland
ii © ISO 2023 2025 – All rights reserved
ii
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Contents
Foreword . vi
Introduction .vii
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Abbreviated terms . 3
5 Principle . 4
6 Scientific Computation Tools (SCTs) . 4
7 Required data for simulation . 5
8 Formulation of the problem and establishment of the simulation strategy . 6
9 Establishment of the input parameters . 9
10 Geometry and mesh. 10
11 Performing the simulation . 11
12 Simulation post-processing . 14
13 Comparing/challenging the results . 15
14 Uncertainty quantification . 17
15 Reporting/display of results . 18
Annex A (informative) Technical specification of scientific computation tools for numerical
welding simulation/computational weld mechanics . 21
Annex B (informative) Documentation template . 23
Annex C (informative) Heat source modelling and calibration . 31
Annex D (informative) Guidelines for validation experiment . 44
Annex E (informative) Characterizing, tracing, and managing uncertainty in computational
weld mechanics and real-world systems . 46
Annex F (informative) Mechanical properties of materials . 48
Bibliography . 58
Foreword . v
Introduction . vi
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Abbreviated terms . 3
5 Principle . 4
6 Scientific Computation Tools (SCTs) . 4
7 Required data for simulation . 5
© ISO 2025 – All rights reserved
iii
ISO/DISFDIS 18166:202X (E2025(en)
8 Formulation of the problem and establishment of the simulation strategy . 6
9 Establishment of the input parameters . 9
9.1 Input data . 9
9.2 Simulation template . 9
10 Geometry and mesh. 9
10.1 Geometry and mesh of welded joint . 9
10.2 Mesh size . 9
10.3 Type of elements . 9
10.4 Modelling of the filler material . 10
11 Performing the simulation . 10
11.1 Code verification . 10
11.2 Thermal and metallurgical computations . 11
11.2.1 General . 11
11.2.2 Focus on metallurgical transformations . 11
11.2.3 Modelling of heat source . 11
11.2.4 Boundary and initial thermal conditions . 12
11.3 Thermomechanical computation for residual stresses prediction . 12
11.3.1 General . 12
11.3.2 Model parameters adjustments . 12
11.3.3 Materials with phase transformations . 12
11.3.4 Boundary and initial thermomechanical conditions . 13
11.4 Monitoring the solution during computation . 13
12 Simulation post-processing . 13
12.1 General . 13
12.2 Cross-section of fusion zone. 13
12.3 Transient evolution of temperatures . 13
12.4 Phases and residual stresses and strains distributions . 14
13 Comparing/challenging the results . 14
13.1 General . 14
13.2 Calculation verification . 14
13.3 Validation . 15
13.3.1 General . 15
13.3.2 Validation process . 15
13.3.3 Lack of knowledge . 16
13.3.4 Validation experiment guidelines . 16
13.3.5 Additional validation and verification activities . 16
14 Uncertainty quantification . 16
15 Reporting/display of results . 17
15.1 General . 17
15.2 Objective of welding simulation . 17
15.3 Material properties and input data . 18
15.4 Geometry and mesh. 18
15.5 Numerical model parameters . 18
15.6 Analysis of results . 19
Annex A (informative) Technical specification of scientific computation tools for numerical
welding simulation/computational weld mechanics . 20
Annex B (informative) Documentation template . 22
Annex C (informative) Heat source modelling and calibration . 28
Annex D (informative) Guidelines for validation experiment . 37
iv © ISO 2023 2025 – All rights reserved
iv
ISO/FDIS 18166:2025(en)
Annex E (informative) Characterizing, tracing, and managing uncertainty in computational
weld mechanics and real-world systems . 39
Annex F (informative) Mechanical Properties of Materials . 41
Bibliography . 49
© ISO 2025 – All rights reserved
v
ISO/DISFDIS 18166:202X (E2025(en)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through
ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are described
in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular, the different approval criteria needed for the different types of
ISO document should be noted. This document was drafted in accordance with the editorial rules of the
ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
ISO draws attention to the possibility that the implementation of this document may involve the use of (a)
patent(s). ISO takes no position concerning the evidence, validity or applicability of any claimed patent rights
in respect thereof. As of the date of publication of this document, ISO had not received notice of (a) patent(s)
which may be required to implement this document. However, implementers are cautioned that this may not
represent the latest information, which may be obtained from the patent database available at
www.iso.org/patents.www.iso.org/patents. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such
patent rights.
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation of the voluntary nature of standards, the meaning of ISO specific terms and expressions
related to conformity assessment, as well as information about ISO's adherence to the World Trade
Organization (WTO) principles in the Technical Barriers to Trade (TBT), see
www.iso.org/iso/foreword.htmlwww.iso.org/iso/foreword.html.
his document has been prepared by Technical Committee ISO/TC 44, Welding and allied processes, in
collaboration with the European Committee for Standardization (CEN) Technical Committee CEN/TC 121,
Welding and allied processes, in accordance with the Agreement on technical cooperation between ISO and
CEN (Vienna Agreement).
This first edition of ISO 18166 cancels and replaces ISO/TS 18166:2016, which has been technically revised.
Any feedback or questions on this document should be directed to the user’s national standards body. A
complete listing of these bodies can be found at www.iso.org/members.html.www.iso.org/members.html.
Official interpretations of TC 44 documents, where they exist, are available from this page:
https://committee.iso.org/sites/tc44/home/interpretation.html.
Field Code Changed
vi © ISO 2023 2025 – All rights reserved
vi
ISO/FDIS 18166:2025(en)
Introduction
This document is not intended for use in a specific industry or with a specific software. Commercial tools are
not excluded. This document is beneficial for the design, manufacturing and assessment of a wide range of
components if the physical phenomena, software and numerical methods meet the specifications of the
scientific computational tools (SCTs) defined in Annex A.Annex A.
This document can be used by industrial entities to define their requirements for specific applications of
computational welding mechanics (CWM).
© ISO 2025 – All rights reserved
vii
FINAL DRAFT International Standard ISO/FDIS 18166:2025(en)
Numerical welding simulation — Execution and documentation
1 Scope
This document specifies the execution, validation, verification and documentation of a numerical welding
simulation within the field of computational welding mechanics (CWM) and performed with a scientific
computational tool (SCT).
This document is applicable to the thermal and mechanical finite element analysis (FEA) of arc, laser and
electron beam welding processes for the purpose of calculating the effects of welding processes, and in
particular, residual stresses and distortion, in support of structural integrity assessment.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content constitutes
requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For undated references,
the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO/TR 25901-1, Welding and allied processes — Vocabulary — Part 1: General terms
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO/TR 25901-1 and the following apply.
ISO and IEC maintain terminology databases for use in standardization at the following addresses:
— — ISO Online browsing platform: available at https://www.iso.org/obphttps://www.iso.org/obp
— — IEC Electropedia: available at https://www.electropedia.org/https://www.electropedia.org/
3.1 3.1
accuracy
closeness of agreement between a measured quantity value and a true quantity value of a measurand
Note 1 to entry: The term measurand is defined by the VIM (ISO/IEC Guide 99:2007, 2.3) as a “quantity intended to be
measured”.
[SOURCE: ISO/IEC Guide 99 :2007, 2.13, modified — Note 1 to entry has been added.]
3.2 3.2
calculation strategy
set of modelling (and simulation) choices to perform a numerical simulation
Note 1 to entry: A calculation strategy defines the choice of physical models and of the coupling physics between
models, the correlations, the discretization both spatial (mesh) and temporal (time step), the calculation options.
3.3 3.3
calibration
process of adjusting modelling parameter values of the scientific computing tool
ISO/FDIS 18166:2025(en)
Note 1 to entry: Calibration improves agreement between the calculated values and the reference values.
3.4 3.4
distortion
permanent deformation resulting in a change in shape of a solid body
3.5 3.5
evaluation criteria
key figures of merit against whichessential metrics used to assess and compare the relative
importancesignificance of each phenomenon is to be judged
Note 1 to entry 1: : The importance rank of a particular phenomenon is a measure of its relative influence on the selected
evaluation criteria.
[SOURCE: Reference [17]]
3.6Note 2 to entry: Adapted from Reference [0].
3.6
greedy algorithm
algorithm that follows the problem-solving heuristic of making the locally optimal choice at each stage
Note 1 to entry: In many cases, a greedy strategy does not produce an optimal solution, but a greedy heuristic can yield
locally optimal solutions that approximate a globally optimal solution in a reasonable amount of time.
3.7 3.7
heat flux
rate at which thermal energy is transferred through a unit area of surface
3.8 3.8
heat source
spatial and temporal numerical distribution of the thermal energy transferred to the weldment
by the welding process
3.9 3.9
numerical simulation
implementation of one or more scientific computing tools (3.11),(3.11), with calculation strategies (3.2) and
input data, to produce numerical results describing the evolution of a physical situation
3.10 3.10
power density
amount of thermal power absorbed or generated per unit volume
3.11 3.11
scientific computing tool
SCT
software for numerical simulation (3.9)(3.9) of physical phenomena
Note 1 to entry: An SCT may consist of one or more solvers and include pre- and post-processors.
Note 2 to entry: SCTs use computational methods to solve science and engineering problems.
Note 3 to entry: Refer to Annex AAnnex A for technical specifications of SCTs.
2 © ISO 2023 2025 – All rights reserved
ISO/FDIS 18166:2025(en)
3.12 3.12
reference scientific computing tool
scientific computing tool (3.11)(3.11) for which the predictive performance is considered to be superior to that
expected of the scientific computing tool to be validated
3.13 3.13
scope of utilization
situations and scenarios studied using the scientific computing tool (3.11)(3.11) for computational welding
mechanics
3.14 3.14
spatial discretization
distribution and type of the geometric units for subdividing the geometric model
3.15 3.15
temporal discretization
step size and number of time units for subdividing the duration being modelled
3.16 3.16
validation case
data set considered to be pertinent and selected for carrying out separate effects or integral validation of a
scientific computing tool (3.11)(3.11)
Note 1 to entry: Data set can be experimental test, operating experience feedback, simulation using a reference
scientific computing tool, (3.12), analytical solution, etc.
3.17 3.17
validation experiment
experiment designed to validate the simulation results taking into account all relevant data and their
uncertainty
3.18 3.18
validation file
document in which all the results of the validation of a scientific computing tool (3.11)(3.11) are inventoried
3.19 3.19
verification file
document in which all the results of the verification of a scientific computing tool (3.11)(3.11) are inventoried
4 Abbreviated terms
For the purposes of this document, the abbreviated terms given in Table 1Table 1 apply.
Table 1 — — Abbreviated terms
Abbreviated term Definition
2D two dimensional
3D three dimensional
CTE coefficient of thermal expansion
CWM computational weld mechanics
EBW electron beam welding
FEA finite element analysis
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Abbreviated term Definition
GMAW gas metal arc welding
GTAW gas tungsten arc welding
HAZ heat-affected zone
PIRT phenomena identification ranking table
PWHT post weld heat treatment
QI quantities of interest
SAW submerged arc welding
SCT scientific computation tool
SMAW shielded metal arc welding
WPS welding procedure specification
WPQR welding procedure qualification record
5 Principle
The thermomechanical numerical simulation of welding is mainly based on the finite element method. It
consists of a WPS implemented in an SCT for CWM, pre- and post-processing tools, and verification and
validation methods (see References [18] and [19]). [0] and [0]).
The CWM problem is generally defined as a three-dimensional solid element model employing a moving heat
source with simultaneous calculation of temperature, microstructure, displacement and stresses, utilizing
elastoplastic constitutive law based on material properties ranging from room temperature up to the melting
temperature.
It requires the geometric modelling of the part to be joined in the form of a mesh, the modelling of the initial
and boundary conditions and the definition of materials behaviours. From the spatial and temporal
discretization, the SCT allows the resolution of a heat transfer problem with transient heat source, with
possibly the determination of metallurgical transformations and the thermomechanical calculation of residual
stresses, strains and distortions. The pre- and post-processing tools may be different from the SCT. However,
it is the set of tools used for the intended studies that is the subject of the recommendations of this document.
6 Scientific Computation Tools (SCTs)
An SCT for numerical welding simulation has specific capabilities compared to conventional FEA software.
The SCT shall enable the calculation of the quantities of interest with an uncertainty level appropriate to
intended use of the studies. The SCT shall enable the implementation solution of a CWM problem following all
the recommendations of this document.
In order to follow all the recommendations of this document the SCT shall:
— — create 2D and 3D meshes of single and multi-pass welded joints (see Clause 10);10);
— — visualize and export the quantities of interest (see Clause 8);8);
— — define and verify the heat source according to space and time coordinates (see Subclause
11.2.3);11.2.3);
— — access to solver parameters of accuracy, convergence, numerical schemes in order to be able to carry
out a spatial and temporal convergence study (see Subclause 11.1);11.1);
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ISO/FDIS 18166:2025(en)
— — simulate the spatio-temporal evolution of the temperature (see Subclause 11.2.3);11.2.3);
— — simulate the phase transformations if any (see Subclause 11.3.3);11.3.3);
— — couple thermomechanics with metallurgical effects (see Subclause 11.2).11.2).
The SCT should:
— — simulate the addition of filler metal;
— — activate and deactivate elements during a simulation;
— — consider viscous and creep effects especially when PWHT is of concern;
— — simulate the temperature and the cyclic behaviour of the materials, recovery effects, and
transformation induced plasticity.
The SCT should use and have a library of:
— — validated and verified material data;
— — cases for verification and validation.
The user may also add their own data and their own verification and validation cases.
7 Required data for simulation
In order to ensure a representative modelling, the user shall have enough information on the way the welding
was carried out that may be obtained from a welding book, from the description and qualification of the
welding procedures specifications (WPS) or from a production report.
The user shall have access to the following:
— — fabrication procedure records, detailing how the structure was manufactured, such as intermediate
machining operations and shaving;
— — design/construction drawings defining the nominal component geometry and dimensions;
— — weld groove geometry (from drawings or WPS);
— — weld procedure information, type of process, heat input per unit length of weld, welding voltage,
current and welding speed, deposit flow rate, type of cover gas, filler metal, welding position, number and
arrangement of passes, their trajectory, their sequence as well as the requirements for finishing and root
passes, and buttering;
— — the characteristics of external clamping devices, interpass and pre and post temperatures
requirements;
— — applied mechanical restraint;
— — appropriate thermomechanical properties from test certificates (or specifications);
— — plant survey data characterising the constructed weldment geometry and dimensions (actual
dimensions, distortion effects, root penetration, presence of cap etc.);
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ISO/FDIS 18166:2025(en)
— — an etched macrograph showing a cross section of the weldment normal to the welding direction which
may be used to define the local geometry, number of weld passes, weld pass sequence and possibly the
weld heat input, hardness, metallography;
— — construction records – photographs, weld dressing, inspection certificates (radiographs, etc.), repairs,
PWHT conditions, proof test conditions.
If any of this information is not available, the user may use data from a similar WPS or obtained from expert
advice, that shall be justified.
8 Formulation of the problem and establishment of the simulation strategy
This Clause gives the user a method regarding the quantities of interest, to select the predominant physical
phenomena, identifying the sources of uncertainty, and deducing the appropriate assumptions and modelling
strategies. Annex EError! Reference source not found. offers supplementary guidance and informational
material.
The selection of physical phenomena results from a whole process, which depends on the problem and the
objectives of calculation, and that shall be justified by the user.
By identifying the physical phenomena, prioritizing them, specifying the state of knowledge, the available data,
the uncertainties, and the maturity of the models and codes, the user should find the appropriate assumptions
and modelling strategies. To do this, the following questions should be answered:
— — What is the objective of the welding simulation?
— — How will the results be used and what level of conservatism and confidence is required?
— — What are the quantities of interest?
— — What are the physical phenomena involved? Are they separable?
— — What are their effects on the quantities of interest?
— — Are tests to observe them available? What kind of tests, with separable or integral effects?
— — Is the method to model them known? What is the level of knowledge regarding the availability of data
and models of the computational codes?
— — How does the model capabilities of modelling and lack of knowledge, impact the capacity to simulate
the dominant physical phenomena?
— — Do the materials exhibit phase transformations? Have they been heat treated before welding? Are
viscous phenomena to be taken into account?
— — How precisely should the process be modelled?
— — What are the time and space scales, what physical phenomena are steady-state, transient, spatial 2D,
3D, axisymmetric, and what are the appropriate modelling details?
To answer these questions, users should use Table 2Error! Reference source not found. and Table 3Error!
Reference source not found. (see References [15], [16] [Error! Reference source not found.], [Error!
Reference source not found.] and [17])[Error! Reference source not found.]) below with the help of other
experts in the same field. A three-level scale is used to rank:
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— — the effects of phenomena, model parameters on quantities of interest;
— — the level of knowledge regarding the availability of data and models.
Table 2 — Importance level (ILI) of physical phenomena on quantities of interest
Weigh
Rank Definition – Effect Implication
t
The phenomenon has a significant or The phenomenon should be explicitly considered
High (H) 1.,0 dominant impact on any of the in experimental programs and modelled with
evaluation criteria. high accuracy in computational tools.
Experimental studies and modelling are
Medium The phenomenon has only a moderate
0.,5 required, but the scope and accuracy may be
(M) impact on the evaluation criteria.
compromised.
The phenomenon should be exhibited
The phenomenon has small or no
Low (L) experimentally and considered in computational
0.,0
impact on the evaluation criteria.
tools. However, almost any model is sufficient.
NOTE The overall importance level (ILI) for a phenomenon is calculated from the votes of each participating expert
through Formula (1):Error! Reference source not found.:
1.0𝑁 +0.5𝑁 +0.0𝑁
𝐻 𝑀 𝐿
𝐼𝐿 =
𝑁 +𝑁 +𝑁
𝐻 𝑀 𝐿
(1)
1,0𝑁 +0,5𝑁 +0,0𝑁
𝐻 𝑀 𝐿
𝐼 = (1)
𝑁 +𝑁 +𝑁
𝐻 𝑀 𝐿
where NH, NM and NL refer to the numbers of “High”, “Medium” and “Low” importance votes, respectively and the
numerical values are the weights defined for these importance levels; see Table 2. Table 2.
Table 3 — Level of knowledge (KL) regarding availability of data and models
Weigh
Rank Availability of data Availability of models
t
The phenomenon is well understood.
Adequate Data obtained for the welding Models that are validated for application to
1.,0
(A) configuration are available in sufficient welding configuration are available.
range, quantity and quality.
The phenomenon is understood. Data
obtained for the welding configuration The phenomenon may only be modelled with
are available, but not in sufficient range, moderate uncertainty or approximately
Some (S) 0.,5 quantity or quality. Alternatively, data modelled, e.g. by lower order models or models
pertinent to other conditions exist and for similar phenomena that maybe extrapolated
maybe extrapolated to the welding to the welding configuration.
configuration.
No validated models exist. Modelling the
The phenomenon is not well
None (N) phenomenon is currently either not possible or is
0.,0
understood. No relevant data exist.
possible only with large uncertainty.
NOTE Likewise, the overall knowledge levels (KLK) with regard to data and models were calculated separately
through Formula (2):Error! Reference source not found.:
1.0𝑁 +0.5𝑁 +0.0𝑁
𝐴 𝑆 𝑁
𝐾𝐿 =
𝑁 +𝑁 +𝑁
𝐴 𝑆 𝑁
(2)
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1,0𝑁 +0,5𝑁 +0,0𝑁
𝐴 𝑆 𝑁
𝐾 = (2)
𝑁 +𝑁 +𝑁
𝐴 𝑆 𝑁
where NA, NS and NN refer to the numbers of Adequate, Some and None level of knowledge votes, respectively, and the
numerical values are the weights defined for the level of knowledge; see Table 3. Table 3.
The user, with the help of other experts regarding the quantities of interest of the welding configuration,
identifies the physical phenomena, and ranks them in terms of impact on the evaluation criteria on quantities
of interest. The user identifies the model and data and ranks them in terms of availability and level of
knowledge. Based on the importance ranking and knowledge level, the user determines the phenomena that
need further consideration and the simulation strategy.
The evaluation criteria are key figures of merit against whichessential metrics used to assess and compare the
relative importancesignificance of each phenomenon is to be judged. A graphical representation [ILI
(Importance Level) vs KL. K (Knowledge Level)] is shown in Figure 1Error! Reference source not found. and
th
the relative importance of the i physical phenomena is assessed by Formula (3):Error! Reference source
not found.:
𝐷 𝑀
𝐼𝐿 ×(1−𝐾𝐿 )(1−𝐾𝐿 )
𝑖 𝑖 𝑖
𝑅 =
𝑖 𝐷 𝑀
max[𝐼𝐿 ×(1−𝐾𝐿 )(1−𝐾𝐿 )]
𝑖
𝑖 𝑖
𝑖
(3)
𝐷 𝑀
𝐼 ×(1−𝐾 )(1−𝐾 )
𝑖 𝑖 𝑖
Where 𝐼𝐿 𝑅 = (3)
𝑖 𝑖 𝐷 𝑀
max[𝐼 ×(1−𝐾 )(1−𝐾 )]
𝑖 𝑖 𝑖
𝑖
𝐷 𝐷 𝑀 𝑀
where 𝐼 is the importance level of the i: th phenomenon, whereas 𝐾𝐿 and 𝐾 and 𝐾𝐿 𝐾 are the
𝑖 𝑖 𝑖 𝑖 𝑖
knowledge levels for data and models, respectively.
8 © ISO 2023 2025 – All rights reserved
ISO/FDIS 18166:2025(en)
Figure 1 — Graphical representation [ILI (Importance Level) vs KLK (Knowledge Level)]
For example, for phenomena with high impact on the quantities of interest but with no relevant data or model,
the user should then supplement the data to reduce uncertainties or modify the model by ensuring a
conservative approach. Another example, the heat source power per unit volume distribution modelling has
a high importance on the level of residual stresses. Thus, an adequate level of knowledge of mechanical
behaviour as a function of temperature is required to achieve best-estimate simulations (see
Annex C).Annex C).
9 Establishment of the input parameters
9.1 Input data
From the data of the physical problem to be simulated, in particular the configuration and the simulation
strategy, the user establishes the material data to be considered (thermo-physical, thermo-mechanical, and
thermo-metallurgical material properties across the temperatures of interest), the parameters of the model
and the solver, the applicable boundary conditions, the geometrical modelling and the simulation domain.
9.2 Simulation template
The user should link the input data in a preparation frame for the simulation data. The user should summarise
the objective of the simulation (by specifying the quantities of interest), the hypotheses and choices of
modelling and simulation, the verifications and validations carried out and the results obtained. The user may
use the form given as example in Annex B.Annex B.
In addition, the user may make full or partial use of a subroutine automating preprocessing operations in the
SCT such as data setting from the template in Annex B,Annex B, thus limiting user related copying and
interpretation errors.
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10 Geometry and mesh
10.1 Geometry and mesh of welded joint
The user shall represent the geometry of the weld and the size of the passes.
The user should use a three-dimensional (3D) geometric model. However, depending on the configuration, the
user may assume a two-dimensional (2D) plane strain state perpendicular to the weld or 2D axisymmetric
modelling. The user should then justify these assumptions and assess the related uncertainties and the impact
on the quantities of interest.
10.2 Mesh size
A sufficient degree of mesh refinement should be used, in the weld and adjacent HAZ regions, to model the
gradients of temperature that occur during welding and to resolve the evolution of residual stresses.
Outside of the weld and HAZ region, the user should prudently coarsen the mesh in order to contain the model
size, while ensuring that the mesh is sufficiently refined in the areas of structural concern, which may not
necessarily be local to the weld.
The user may perform preliminary mesh refinement studies to optimise the analysis requirements. Spatial
discretization shall be considered with the evolution of physical phenomena and quantities of interest over
time and space.
10.3 Type of elements
First order finite elements should be used for thermal simulation. In thermomechanical simulation, finite
elements suitable for materials with elastoplastic behaviour according to the Von Mises criterion shall be used.
For example, the user may use sub-integrated second order elements or selectively integrated first order
elements.
The mesh for thermomechanical simulation may be a different mesh than one used for thermal simulation.
The temperature fields of the thermal simulation are then transferred to the mesh for thermomechanical
simulation. The transfer method shall ensure the integrity of transferred field. For that purpose, the user
should perform sensitivity analyses to evaluate the impact on the quantities of interest. Simi larlySimilarly,
the user may choose a thermal simulation mesh different from the one used during heat source fitting such as
described in Annex C.Annex C. The user should then ensure that changing size of the mesh does not
significantly affect the thermal predictions or the power transmitted to the weldment.
10.4 Modelling of the filler material
A method of activating and deactivating the bead elements should be used to simulate the weld material
deposition for thermomechanical calculation. For mechanical calculation, among other methods, deactivation
may be realized by reducing the Young's modulus value by three orders of magnitude from its ambient
temperature value, or by choosing a Young's modulus value that is close to its melting temperature value.
Activation may be accomplished by assigning the elements their original properties and behaviour. As passes
are added, the beads of which the elements have been deactivated are sequentially added back to the model.
The user may use activation/deactivation with both imposed temperature or imposed heat flux.
In addition, the user should:
— — ensure that the volume of the deposited material is consistent with a macrograph of the weldment
cross-section;
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— — activate elements when they’re below the solidus temperature or, as a minimum, activate each pass at
the beginning of the deposition;
— — assign properties to deactivated elements that do not significantly impact the heat transfer and
mechanical rigidity of the structure.
11 Performing the simulation
11.1 Code verification
Code verification is a formalized process to determine if equations are resolved correctly. The user should
carry out verification test(s) and should not entirely rely on the verifications carried out by the SCT supplier
but on global or elementary tests (in terms of size of the problem or the number of physical phenomena):
— — compare with results from other SCTs or previous version of the SCT;
— — compare with results from analytical solution.
During verification, the user should also pay attention to the following:
— — the conformance of the modelling with the physical problem, operating parameters (geometry,
position, welding axis, sequence of material passes, etc.), with the boundary conditions (clamping,
interpass temperature) and loads;
— — a correct and adapted numerical resolution regarding mesh convergence and time;
— — verification of material behaviour using a single element model;
— — the control of local or global results consistent with forces and moments equilibrium conditions.
The framework shown in Annex BAnnex B provides a template file that summarises the CWM input data
making it possible for the user to ensure that all necessary data are available, and that the validity of these
data has been verified before starting any simulation. A good practice is that any item contributing to the
verification should be recorded in a verification folder. The template in Annex BAnnex B provides a means of
recording, the analysis of the problem, the modelling choices and the meshing. The user should check the
conformity of the modelling, the boundary conditions and loadings with the operating configuration, and the
simulation strategy listed in the simulation template.
For boundary conditions and loadings, the user shall check that:
— — the interpass temperature, pre and post heating protocols are correctly simulated;
— — the mechanical clamping, heat source, convection and radiation models are applied to the right areas.
The user should ensure that the choices of time step and spatial discretization for the mesh are consistent with
the evolution of the physical phenomena and the quantities of interest.
Testing of the numerical model should also be performed, with a coarser mesh, time steps variations, change
of convergence criteria. The user should also check the appropriate application of the heat source (power
transmitted to the weldment and the trajectory) and the realistic phase fraction evolution during simulation.
Secondly, the user should plot the
...
PROJET FINAL
Norme
internationale
ISO/FDIS 18166
ISO/TC 44
Simulation numérique de
Secrétariat: AFNOR
soudage — Exécution et
Début de vote:
documentation
2025-10-14
Numerical welding simulation — Execution and documentation
Vote clos le:
2025-12-09
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET SONT
INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS OBSERVATIONS,
NOTIFICATION DES DROITS DE PROPRIÉTÉ DONT ILS
AURAIENT ÉVENTUELLEMENT CONNAISSANCE ET À
FOURNIR UNE DOCUMENTATION EXPLICATIVE.
OUTRE LE FAIT D’ÊTRE EXAMINÉS POUR
ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-MERCIALES,
AINSI QUE DU POINT DE VUE DES UTILISATEURS, LES
PROJETS DE NORMES
TRAITEMENT PARALLÈLE ISO/CEN
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE CONSIDÉRÉS
DU POINT DE VUE DE LEUR POSSI BILITÉ DE DEVENIR DES
NORMES POUVANT
SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA RÉGLEMENTATION
NATIONALE.
Numéro de référence
ISO/FDIS 18166:2025(fr) © ISO 2025
PROJET FINAL
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Norme
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Simulation numérique de
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soudage — Exécution et
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documentation
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Numerical welding simulation — Execution and documentation
Vote clos le:
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OUTRE LE FAIT D’ÊTRE EXAMINÉS POUR
ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES FINS
© ISO 2025 INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET COM-MERCIALES,
AINSI QUE DU POINT DE VUE DES UTILISATEURS, LES
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y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
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être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Case postale 401 • Ch. de Blandonnet 8
CH-1214 Vernier, Genève
Tél.: +41 22 749 01 11
E-mail: copyright@iso.org
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Publié en Suisse Numéro de référence
ISO/FDIS 18166:2025(fr) © ISO 2025
ii
ISO/FDIS 18166:2025(fr)
Sommaire Page
Avant-propos .v
Introduction .vi
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Termes abrégés . 3
5 Principe. 4
6 Outils de calcul scientifique . 4
7 Données requises pour la simulation . 5
8 Formulation du problème et établissement de la stratégie de simulation . 6
9 Établissement des paramètres d'entrée . 8
9.1 Données d'entrée .8
9.2 Trame de simulation .9
10 Géométrie et maillage . 9
10.1 Géométrie et maillage de l'assemblage soudé .9
10.2 Taille du maillage .9
10.3 Type d'éléments .9
10.4 Modélisation du matériau d'apport .9
11 Réalisation de la simulation . 10
11.1 Vérification du code .10
11.2 Calculs thermiques et métallurgiques .11
11.2.1 Généralités .11
11.2.2 Particularités concernant les transformations métallurgiques .11
11.2.3 Modélisation de la source de chaleur .11
11.2.4 Conditions thermiques initiales et aux limites . 12
11.3 Calcul thermomécanique pour prédiction des contraintes résiduelles . 12
11.3.1 Généralités . 12
11.3.2 Réglages des paramètres du modèle . 12
11.3.3 Matériaux avec des transformations de phase . 12
11.3.4 Conditions thermomécaniques initiales et aux limites . 13
11.4 Surveillance de la solution pendant le calcul . 13
12 Post-traitement de la simulation .13
12.1 Généralités . 13
12.2 Coupe transversale de la zone de fusion . 13
12.3 Évolution transitoire des températures . 13
12.4 Phases et distributions des contraintes et déformations résiduelles . 13
13 Comparaison/remise en question des résultats . 14
13.1 Généralités .14
13.2 Vérification des calculs .14
13.3 Validation . 15
13.3.1 Généralités . 15
13.3.2 Processus de validation . 15
13.3.3 Manque de connaissances .16
13.3.4 Guide des bonnes pratiques des expériences de validation .16
13.3.5 Activités de validation et de vérification supplémentaires .16
14 Quantification des incertitudes . 16
15 Rapport/présentation des résultats . 17
15.1 Généralités .17
iii
ISO/FDIS 18166:2025(fr)
15.2 Objectif de la simulation de soudage.17
15.3 Propriétés des matériaux et données d'entrée .17
15.4 Géométrie et maillage .18
15.5 Paramètres du modèle numérique .18
15.6 Analyse des résultats .18
Annexe A (informative) Spécification technique des outils de calcul scientifique pour la
simulation numérique de soudage . 19
Annexe B (informative) Modèle de documentation .21
Annexe C (informative) Modélisation et ajustement de la source de chaleur .27
Annexe D (informative) Lignes directrices pour la conception d’un essai de validation .36
Annexe E (informative) Caractérisation, identification et gestion de l'incertitude dans la
simulation numérique du soudage et les systèmes réels .38
Annexe F (informative) Propriétés mécaniques des matériaux .40
Bibliographie . 47
iv
ISO/FDIS 18166:2025(fr)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux
de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général
confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire
partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a
été rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir
www.iso.org/directives).
L’ISO attire l’attention sur le fait que la mise en application du présent document peut entraîner l’utilisation
d’un ou de plusieurs brevets. L’ISO ne prend pas position quant à la preuve, à la validité et à l’applicabilité de
tout droit de propriété revendiqué à cet égard. À la date de publication du présent document, l’ISO n'avait pas
reçu notification qu’un ou plusieurs brevets pouvaient être nécessaires à sa mise en application. Toutefois,
il y a lieu d’avertir les responsables de la mise en application du présent document que des informations
plus récentes sont susceptibles de figurer dans la base de données de brevets, disponible à l'adresse
www.iso.org/brevets. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne pas avoir identifié tout ou partie de
tels droits de propriété.
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour
information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.
Pour une explication de la nature volontaire des normes, la signification des termes et expressions
spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion de
l'ISO aux principes de l’Organisation mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au
commerce (OTC), voir www.iso.org/avant-propos.
Le présent document a été élaboré par le comité technique ISO/TC 44, Soudage et techniques connexes, en
collaboration avec le comité technique CEN/TC 121, Soudage et techniques connexes, du Comité Européen
pour la Normalisation (CEN), conformément à l'Accord sur la coopération technique entre l'ISO et le CEN
(Accord de Vienne).
Cette première édition de l'ISO 18166 annule et remplace l'ISO/TS 18166:2016, qui a fait l'objet d'une révision
technique.
Il convient d’adresser tout retour d'information ou questions sur le présent document à l'organisme national
de normalisation de l'utilisateur. Une liste exhaustive de ces organismes peut être trouvée à l’adresse
www.iso.org/members.html. Les interprétations officielles des documents du TC 44, lorsqu'elles existent,
sont disponibles depuis la page https://committee.iso.org/sites/tc44/home/interpretation.html.
v
ISO/FDIS 18166:2025(fr)
Introduction
Le présent document n'est pas destiné à être utilisé dans une industrie spécifique ou avec un logiciel
spécifique. Les outils commerciaux ne sont pas exclus. Le présent document est utile pour la conception, la
réalisation et l'évaluation d'une large gamme de composants si les phénomènes physiques, les logiciels et les
méthodes numériques satisfont aux spécifications des outils de calcul scientifique définis dans l'Annexe A.
Le présent document peut être utilisé par des industriels pour définir leurs exigences relatives à des
applications spécifiques de simulation numérique du soudage (SNS).
vi
PROJET FINAL Norme internationale ISO/FDIS 18166:2025(fr)
Simulation numérique de soudage — Exécution et
documentation
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie l'exécution, la validation, la vérification et la documentation d'une simulation
numérique de soudage dans le domaine de la mécanique du solide et réalisée à l'aide d'un outil de calcul
scientifique.
Le présent document est applicable à l'analyse thermique et mécanique par la méthode des éléments finis
des procédés de soudage à l'arc, au laser et par faisceau d'électrons dans le but de calculer les conséquences
des procédés de soudage, et notamment les contraintes et déformations résiduelles, en appui à l'évaluation
de l'intégrité des structures.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour
les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les éventuels
amendements).
ISO/TR 25901-1, Soudage et techniques connexes — Vocabulaire — Partie 1: Termes généraux
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions de l’ISO/TR 25901-1 ainsi que les suivants
s'appliquent.
L’ISO et l’IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en normalisation,
consultables aux adresses suivantes:
— ISO Online browsing platform: disponible à l’adresse https:// www .iso .org/ obp
— IEC Electropedia: disponible à l’adresse http:// www .electropedia .org/
3.1
exactitude
étroitesse de l'accord entre une valeur mesurée et une valeur vraie d'un mesurande
Note 1 à l'article: Le terme mesurande est défini par le VIM (Guide ISO/IEC 99:2007, 2.3) comme une “grandeur que l'on
veut mesurer”.
[SOURCE: Guide ISO/IEC 99:2007, 2.13, modifiée — la Note 1 à l'article a été ajoutée.]
3.2
stratégie de calcul
ensemble de choix de modélisation (et de simulation) pour effectuer une simulation numérique
Note 1 à l'article: Une stratégie de calcul définit le choix des modèles physiques et des couplages et interactions entre eux,
des corrélations, de la discrétisation spatiale (maillage) et temporelle (incréments de temps), et les options de calcul.
ISO/FDIS 18166:2025(fr)
3.3
ajustement
processus consistant à ajuster les paramètres de modélisation de l'outil de calcul scientifique
Note 1 à l'article: L'ajustement améliore l'accord entre les valeurs calculées et les valeurs de référence.
3.4
distorsion
déformation permanente donnant lieu à une modification de la forme d'un corps solide
3.5
critères d'évaluation
coefficients de qualité clés par rapport auxquels l'importance relative de chaque phénomène est jugée
Note 1 à l'article: Le niveau d'importance d'un phénomène est une mesure de son influence relative sur le critère
d'évaluation sélectionné.
Note 2 à l'article: Adaptée de la Référence [17].
3.6
algorithme glouton
algorithme qui suit l'heuristique de résolution de problèmes consistant à faire le choix optimal de manière
locale à chaque étape
Note 1 à l'article: Dans de nombreux cas, une stratégie gloutonne ne fournit pas une solution optimale, mais une
heuristique gloutonne peut produire des solutions localement optimales qui s'approchent d'une solution globalement
optimale dans un laps de temps raisonnable.
3.7
flux thermique
vitesse à laquelle l'énergie thermique est transférée par unité de surface
3.8
source de chaleur
distribution numérique spatiale et temporelle de l'énergie thermique transférée à l'assemblage
soudé par le procédé de soudage
3.9
simulation numérique
mise en œuvre d'un ou de plusieurs outils de calcul scientifique (3.11), avec des stratégies de calcul (3.2) et des
données d'entrée, afin de produire des résultats numériques décrivant l'évolution d'une situation physique
3.10
densité de puissance
puissance thermique absorbée ou générée par unité de volume
3.11
outil de calcul scientifique
OCS
logiciel de simulation numérique (3.9) de phénomènes physiques
Note 1 à l'article: Un outil de calcul scientifique peut comprendre un ou plusieurs solveurs numériques et inclure des
préprocesseurs et des postprocesseurs.
Note 2 à l'article: Les outils de calcul scientifique utilisent des méthodes de calcul pour résoudre des problèmes de
science et d'ingénierie.
Note 3 à l'article: Se référer à l'Annexe A pour les spécifications techniques des outils de calcul scientifique.
3.12
outil de calcul scientifique de référence
outil de calcul scientifique (3.11) pour lequel les performances prédictives sont considérées comme
supérieures à celles attendues de l'outil de calcul scientifique à valider
ISO/FDIS 18166:2025(fr)
3.13
domaine d'utilisation
situations et scénarios étudiés en utilisant l'outil de calcul scientifique (3.11) pour la simulation numérique
du soudage
3.14
discrétisation spatiale
distribution et type des unités géométriques subdivisant le modèle géométrique
3.15
discrétisation temporelle
pas et nombre d'unités de temps subdivisant la durée de la modélisation
3.16
cas de validation
jeu de données considéré comme pertinent et sélectionné pour obtenir des effets séparés ou une validation
intégrale d'un outil de calcul scientifique (3.11)
Note 1 à l'article: L'ensemble de données peut être un essai expérimental, un retour d'expérience sur le fonctionnement,
une simulation à l'aide d'un outil de calcul scientifique de référence (3.12), une solution analytique, etc.
3.17
expérience de validation
expérience spécifiquement conçue afin de valider les résultats de simulation en tenant compte de l'ensemble
des données pertinentes et de leur incertitude
3.18
dossier de validation
document dans lequel tous les résultats de la validation d'un outil de calcul scientifique (3.11) sont répertoriés
3.19
dossier de vérification
document dans lequel tous les résultats de la vérification d'un outil de calcul scientifique (3.11) sont
répertoriés
4 Termes abrégés
Pour les besoins du présent document, les termes abrégés donnés dans le Tableau 1 s'appliquent.
Tableau 1 — Termes abrégés
Terme abrégé Définition
2D deux dimensions
3D trois dimensions
CDT coefficient de dilatation thermique
SNS simulation numérique du soudage
SFE soudage par faisceau d'électrons
MEF méthode des éléments finis
GMAW soudage à l'arc avec électrode fusible sous protection gazeuse (Gaz Metal Arc Welding)
GTAW soudage à l'arc sous protection gazeuse avec électrode de tungstène, (Gaz Tungsten Arc Welding)
ZAT zone affectée thermiquement
PIRT tableau d'identification et de classement des phénomènes(Phenomena Identification and Ranking
Table)
TTAS traitement thermique après soudage
GI grandeurs d'intérêt
SAW soudage à l'arc sous flux (en poudre); soudage à l'arc submergé (Submerged Arc Welding)
ISO/FDIS 18166:2025(fr)
TTabableleaauu 1 1 ((ssuuiitte)e)
Terme abrégé Définition
OCS outil de calcul scientifique
SMAW soudage à l'arc électrique avec électrode métallique enrobée (Shielded Metal Arc Welding)
DMOS descriptif de mode opératoire de soudage
PV-QMOS procès-verbal de qualification d'un mode opératoire de soudage
5 Principe
La simulation numérique thermomécanique du soudage est principalement basée sur la méthode des
éléments finis. Elle est définie par la transposition d'un DMOS dans un OCS pour traiter la SNS, d'outils de pré
et de post-traitement, ainsi que de méthodes de vérification et de validation (voir les Références [18] et [19]).
Un problème de SNS est généralement défini comme un modèle tridimensionnel d'éléments solides employant
une source de chaleur mobile avec calcul simultané de la température, de la microstructure, du déplacement
et des contraintes, en utilisant une loi de comportement élastoplastique basée sur les propriétés des
matériaux définis pour des températures allant de la température ambiante à la température de fusion.
Il nécessite la modélisation géométrique de la pièce à assembler sous forme de maillage, la modélisation des
conditions initiales et des conditions aux limites ainsi que la définition des comportements des matériaux. À
partir de la discrétisation spatiale et temporelle, l'outil de calcul scientifique permet de résoudre un problème
de transfert thermique avec une source de chaleur transitoire, avec éventuellement la détermination des
transformations métallurgiques et le calcul thermomécanique des contraintes, déformations et distorsions
résiduelles. Les outils de pré- et de post-traitement peuvent être différents de l'outil de calcul scientifique.
Toutefois, c'est l'ensemble des outils utilisés pour les études prévues qui fait l'objet des recommandations du
présent document.
6 Outils de calcul scientifique
Un outil de calcul scientifique pour la simulation numérique de soudage dispose de fonctionnalités
spécifiques par rapport aux logiciels conventionnels utilisant la MEF. L'outil de calcul scientifique doit
permettre le calcul des grandeurs d'intérêt avec un niveau d'incertitude adapté à l'utilisation prévue des
études. L'outil de calcul scientifique doit permettre d'implémenter le problème de SNS suivant toutes les
recommandations du présent document.
Afin de suivre toutes les recommandations du présent document, l'outil de calcul scientifique doit:
— créer des maillages 2D et 3D d'assemblages soudés à une passe et à plusieurs passes (voir Article 10);
— visualiser et exporter les grandeurs d'intérêt (voir Article 8);
— définir et vérifier la source de chaleur en fonction des coordonnées spatiales et de valeurs temporelles
(voir paragraphe 11.2.3);
— accéder aux paramètres de précision, de convergence et de schémas de résolution des systèmes d'équation
par le solveur afin d'être en mesure de réaliser une étude de convergence spatiale et temporelle (voir
paragraphe 11.1);
— simuler l'évolution spatio-temporelle de la température (voir paragraphe 11.2.3);
— simuler les transformations de phase, le cas échéant (voir paragraphe 11.3.3);
— coupler la thermomécanique avec les effets métallurgiques (voir paragraphe 11.2).
Il convient que l'outil de calcul scientifique:
— simule l'ajout de métal d'apport;
— active et désactive les éléments pendant une simulation;
ISO/FDIS 18166:2025(fr)
— tienne compte des effets de viscosité et de fluage, notamment lorsque le TTAS fait l’objet d’une attention
particulière;
— simule la température et le comportement cyclique des matériaux, les effets de restauration et la plasticité
induite par les transformations de phases métallurgiques.
Il convient que l'outil de calcul scientifique utilise et dispose d'une bibliothèque de:
— données matériaux validées et vérifiées;
— cas de vérification et de validation.
L'utilisateur peut également ajouter ses propres données et ses propres cas de vérification et de validation.
7 Données requises pour la simulation
Afin de garantir une modélisation représentative, l'utilisateur doit disposer de suffisamment d'informations
sur la manière dont le soudage a été réalisé, lesquelles peuvent être obtenues à partir d'un cahier de soudage,
de la description et de la qualification de modes opératoires de soudage (DMOS, QMOS) ou à partir du rapport
de fin de fabrication.
L'utilisateur doit avoir accès aux informations suivantes:
— les procès-verbaux des modes opératoires de fabrication, détaillant la manière dont la structure a été
fabriquée, comme les opérations d'usinage intermédiaire et d'arasage;
— les plans de conception/construction définissant la géométrie et les dimensions nominales du composant;
— la géométrie du chanfrein de soudage (sur plans ou DMOS);
— des informations sur le mode opératoire de soudage, le type de procédé, l'apport de chaleur par unité de
longueur de soudure (tension de soudage, courant et vitesse de soudage), taux de dépôt, type de gaz de
couverture, métal d'apport, position de soudage, nombre et disposition des passes, leur trajectoire, leur
séquence ainsi que les exigences relatives aux passes de finition et de racine, et au beurrage;
— les caractéristiques des dispositifs de bridage externe, les exigences relatives aux températures entre
passes ainsi qu'aux températures pré et post soudage;
— les efforts mécaniques extérieurs appliqués;
— les propriétés thermomécaniques appropriées provenant des certificats de réception, des normes ou des
spécifications;
— les données de surveillance de l’équipement caractérisant la géométrie et les dimensions des assemblages
soudés construits (dimensions réelles, effets de déformation, pénétration à la racine, présence d'une
passe de finition, etc.);
— une macrographie après attaque chimique montrant une section transversale de l'assemblage soudé
normale à la direction du soudage qui peut être utilisée pour définir la géométrie locale, le nombre
de passes, la séquence des passes et éventuellement l'apport de chaleur dû au soudage, la dureté, la
métallographie;
— les procès-verbaux de construction - photographies, parachèvement des cordons de soudure, certificats
de contrôle (radiographies, etc.), réparations, conditions du TTAS, conditions d'essai d'épreuve.
Si une de ces informations n'est pas disponible, l'utilisateur peut utiliser les données d'un DMOS similaire ou
fournis par un expert du domaine sous réserve de justification.
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8 Formulation du problème et établissement de la stratégie de simulation
Le présent Article donne à l'utilisateur une méthode quant à la manière de déterminer les grandeurs
d'intérêt, afin de sélectionner les phénomènes physiques prédominants, d'identifier les sources d'incertitude
et de déduire les hypothèses ainsi que les stratégies de modélisation appropriées. L'Annexe E donne des
recommandations complémentaires et des données informatives.
La sélection des phénomènes physiques résulte d'un processus complet, qui dépend du problème et des
objectifs de calcul, et qui doit être justifié par l'utilisateur.
En identifiant les phénomènes physiques, en les hiérarchisant, en spécifiant l'état des connaissances, les
données disponibles, les incertitudes, et la maturité des modèles et des codes, il convient que l'utilisateur
trouve les hypothèses et les stratégies de modélisation appropriées. Pour ce faire, il convient de répondre
aux questions suivantes:
— Quel est l'objectif de la simulation de soudage?
— Comment les résultats seront-ils utilisés et quel niveau de conservatisme et de confiance est requis?
— Quelles sont les grandeurs d'intérêt?
— Quels sont les phénomènes physiques impliqués? Sont-ils séparables?
— Quels sont leurs effets sur les grandeurs d'intérêt?
— Des essais sont-ils disponibles pour les observer? Quel type d'essais, avec effets séparables ou intégraux?
— La méthode de modélisation est-elle connue? Quel est le niveau de connaissance concernant la disponibilité
des données et modèles des codes de calcul?
— Comment les paramètres des modèles et le manque de connaissances impactent-ils la capacité de simuler
les phénomènes physiques dominants?
— Les matériaux présentent-ils des transformations de phase? Ont-ils été traités thermiquement avant le
soudage? Des phénomènes visqueux sont-ils à prendre en compte?
— Avec quelle précision convient-il de modéliser le procédé?
— Quelles sont les échelles temporelle et spatiale, quels phénomènes physiques sont à l'état stationnaire,
transitoires, spatiaux en 2D, en 3D, axisymétriques, et quels sont les niveaux de modélisation appropriés?
Pour répondre à ces questions, il convient que les utilisateurs utilisent le Tableau 2 et le Tableau 3 (voir les
Références [15], [16] et [17]) ci-dessous avec l'aide d'autres experts du même domaine. Une échelle à trois
niveaux est utilisée pour classer:
— les effets des phénomènes, les paramètres du modèle sur les grandeurs d'intérêt;
— le niveau de connaissance concernant la disponibilité des données et des modèles.
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Tableau 2 — Niveau d'importance (I) des phénomènes physiques sur les grandeurs d'intérêt
Échelon Poids Définition - Effet Implication
Il convient que le phénomène soit explicitement
Le phénomène a un impact significatif ou
pris en compte dans les programmes expérimen-
Élevé (H) 1,0 dominant sur l'un des critères d'évalua-
taux et modélisé avec une grande exactitude dans
tion.
les outils de calcul.
Des études expérimentales et la modélisation
Le phénomène n'a qu'un impact modéré
Moyen (M) 0,5 sont requises, mais leur portée et leur exactitude
sur les critères d'évaluation.
peuvent être limitées.
Il convient que le phénomène soit démontré
Le phénomène a peu ou n'a pas d'impact expérimentalement et pris en compte dans les
Faible (L) 0,0
sur les critères d'évaluation. outils de calcul. Cependant, n'importe quel type
de modélisation, ou presque, suffit.
NOTE Le niveau d'importance (I) global d'un phénomène est calculé à partir des votes de tous les experts
participants à l'aide de la Formule (1):
10,,NN++05 00, N
HM L
I= (1)
NN++N
HM L
où N , N et N font référence, respectivement, aux nombres de votes Élevé, Moyen et Faible, et où les valeurs
H M L
numériques représentent la pondération de ces niveaux d'importance. Voir Tableau 2.
Tableau 3 — Niveau de connaissance (C) concernant la disponibilité des données et des modèles
Échelon Poids Disponibilité des données Disponibilité des modèles
Ce phénomène est bien compris. Les
données obtenues pour la configuration
Des modèles validés applicables à la configura-
Adéquat (A) 1,0 de soudage sont disponibles dans une
tion de soudage sont disponibles.
gamme, une quantité et une qualité
suffisantes.
Le phénomène est compris. Les données
obtenues pour la configuration de sou- Le phénomène peut seulement être modélisé
dage sont disponibles, mais pas dans avec une incertitude modérée ou de manière
Intermédiaire une gamme, une quantité ou une qua- approximative, par exemple par des modèles
0,5
(I) lité suffisantes. Toutefois, des données d'ordre moindre ou des modèles pour des phéno-
pertinentes pour d'autres conditions mènes similaires qui peuvent être extrapolés à la
existent et peuvent être extrapolées à la configuration de soudage.
configuration de soudage.
Il n'existe pas de modèles validés. La modélisa-
Le phénomène n'est pas bien compris. Il
Inexistant (N) 0,0 tion du phénomène est actuellement impossible
n'existe pas de données pertinentes.
ou n'est possible qu'avec une grande incertitude.
NOTE De même, les niveaux de connaissance (C) globaux pour les données et les modèles sont calculés séparément
à l'aide de la Formule (2):
10,,NN++05 00, N
AS N
K = (2)
NN++N
AS N
où N , N et N font référence, respectivement, aux nombres de votes Adéquat, Intermédiaire et Inexistant,
A S N
et où les valeurs numériques représentent la pondération de ces niveaux de connaissance. Voir Tableau 3.
L'utilisateur, avec l'aide d'autres experts pour les grandeurs d'intérêt de la configuration de soudage,
identifie les phénomènes physiques et les classe en termes d'impact sur les critères d'évaluation des
grandeurs d'intérêt. L'utilisateur identifie le modèle et les données, et les classe en termes de disponibilité et
de niveau de connaissance. Sur la base de l'importance et du niveau de connaissance, l'utilisateur détermine
les phénomènes nécessitant un examen plus approfondi et la stratégie de simulation.
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Les critères d'évaluation sont des métriques essentielles employées pour évaluer et comparer l'importance
relative de chaque phénomène. Une représentation graphique [I (niveau d'importance) par rapport à C
ème
(niveau de connaissance)] est donnée à la Figure 1, et l'importance relative du i phénomène physique est
évaluée par la Formule (3):
D M
IC×−11−C
()()
ii i
R = (3)
i
D M
max IC×−11−C
()()
ii i
i
D M
e
où I est le niveau d'importance du i phénomène, et où C et C sont respectivement les niveaux de
i i i
connaissance pour les données et les modèles.
Figure 1 — Représentation graphique [I (niveau d'importance) par rapport à C (niveau de
connaissance)]
Par exemple, pour les phénomènes ayant un impact élevé sur les grandeurs d'intérêt mais pour lesquels
il n'y a pas de données ou de modèle pertinent(es), il convient que l'utilisateur complète les données pour
réduire les incertitudes ou modifie le modèle en garantissant une approche conservative. Dans un autre
exemple, la modélisation de la distribution de la puissance de la source de chaleur par unité de volume a
un impact significatif sur le niveau des contraintes résiduelles. Ainsi, un niveau de connaissance adéquat
du comportement mécanique en fonction de la température est nécessaire pour obtenir les meilleures
estimations des contraintes par simulation numérique du soudage(voir l'Annexe C).
9 Établissement des paramètres d'entrée
9.1 Données d'entrée
À partir des données du problème physique à simuler, notamment la configuration et la stratégie de
simulation, l'utilisateur établit les données du matériau à prendre en compte (propriétés thermo-physiques,
thermomécaniques et thermo-métallurgiques du matériau sur l'ensemble des températures d'intérêt), les
paramètres du modèle et du solveur numérique, les conditions aux limites applicables, la modélisation
géométrique et le domaine de simulation.
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9.2 Trame de simulation
Il convient que l'utilisateur liste les données d'entrée pour préparer les données de simulation. Il convient
que l'utilisateur synthétise l'objectif de la simulation (en spécifiant les grandeurs d'intérêt), les hypothèses
et les choix de la modélisation et de la simulation, les vérifications et validations effectuées ainsi que les
résultats obtenus. L'utilisateur peut utiliser le formulaire donné à titre d'exemple à l'Annexe B.
De plus, l'utilisateur peut utiliser totalement ou partiellement un sous-programme automatisant les
opérations de pré-traitement dans l'outil de calcul scientifique, telles que la définition des données provenant
du modèle de l'Annexe B, limitant ainsi les erreurs de copie et d'interprétation liées à l'utilisateur.
10 Géométrie et maillage
10.1 Géométrie et maillage de l'assemblage soudé
L'utilisateur doit représenter la géométrie de la soudure et la taille des passes.
Il convient que l'utilisateur utilise un modèle géométrique tridimensionnel (3D). Toutefois, en fonction
de la configuration, l'utilisateur peut supposer un état de déformation plane bidimensionnelle (2D)
perpendiculaire à la soudure ou recourir à un modèle 2D axisymétrique. Il convient alors que l'utilisateur
justifie ces hypothèses et évalue les incertitudes associées et leurs impacts sur les grandeurs d'intérêt.
10.2 Taille du maillage
Il convient d'utiliser un niveau suffisant de raffinement du maillage, dans les zones de soudage et la ZAT
adjacente, afin de modéliser les gradients de température qui surviennent pendant le soudage et pour
résoudre l'évolution des contraintes résiduelles.
En dehors de la zone de soudure et de la ZAT, il convient que l'utilisateur déraffine de manière raisonnable le
maillage afin de contenir la taille du modèle, tout en garantissant que le maillage est suffisamment fin dans
les zones présentant un intérêt pour le comportement de la structure, qui peuvent ne pas nécessairement
être des zones locales de la soudure.
L'utilisateur peut effectuer des études préliminaires de raffinement du maillage afin d'optimiser les
exigences d'analyse. La discrétisation spatiale doit tenir compte de l'évolution des phénomènes physiques et
des grandeurs d'intérêt dans le temps et dans l'espace.
10.3 Type d'éléments
Il convient d'utiliser des éléments finis du premier ordre pour la simulation thermique. En simulation
thermomécanique, les éléments finis adaptés aux matériaux à comportement élastoplastique selon le critère
de Von-Mises doivent être utilisés. Par exemple, l'utilisateur peut utiliser des éléments du second ordre sous-
intégrés ou des éléments du premier ordre sous-intégrés de manière sélective.
Le maillage pour la simulation thermomécanique peut être différent de celui utilisé pour la simulation
thermique. Les champs de température de la simulation thermique sont alors transférés sur le maillage pour
la simulation thermomécanique. La méthode de transfert doit garantir l'intégrité du champ transféré. À cette
fin, il convient que l'utilisateur réalise des analyses de sensibilité pour évaluer l'impact sur les grandeurs
d'intérêt. De même, l'utilisateur peut choisir un maillage de simulation thermique différent de celui utilisé
lors de l'ajustement thermique tel que décrit dans l'Annexe C. Il convient que l'utilisateur s'assure alors que
le changement de taille du maillage n'affecte pas de manière significative les prédictions thermiques ou la
puissance transmise à l'assemblage soudé.
10.4 Modélisation du matériau d'apport
Il convient d'utiliser une méthode d'activation et de désactivation des éléments représentant les cordons
pour simuler le dépôt du matériau de la soudure pour le calcul thermomécanique. Pour le calcul mécanique,
entre autres méthodes, la désactivation peut être réalisée en réduisant la valeur du module de Young de trois
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ordres de grandeur par rapport à sa valeur à température ambiante, ou en choisissant un module de Young
proche de sa valeur à la température de fusion. L'activat
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.
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