一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法。首先根据试件的几何形状、建立焊接试件的3D几何模型；然后对模型进行全局网格划分；加载材料数据和热边界条件，模拟焊接过程；最终求解温度场和应力场。本发明专利技术方法的数值模拟结果具有较高的准确性，可以作为焊接工艺设计和参数优化的一个有效工具。

A welding residual stress measurement method based on ABAQUS

The invention discloses a welding residual stress measurement method based on ABAQUS. Firstly, the 3D geometric model of the welded specimen is established according to the geometry of the specimen, and then the global meshing of the model is carried out; the welding process is simulated by loading material data and thermal boundary conditions; finally the temperature and stress fields are solved. The numerical simulation result of the method has high accuracy and can be used as an effective tool for welding process design and parameter optimization.

【技术实现步骤摘要】
一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法
本专利技术属于应力测试领域，具体涉及一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法。
技术介绍
焊接是一种典型的热加工方法，在焊接过程中，焊接残余应力是指焊接结构焊缝区及其附近，由于焊接过程的不均匀加热和冷却，以及结构的拘束作用，在结构内部引起相变或局部塑性变形，在焊接过程结束和完全冷却后，残存于结构中的应力。它是一种内应力，属于二次应力的范畴。残余应力广泛地存在于工程结构中，它是指结构在没有外力作用下，存在于其内部并保持自相平衡的应力，又称为固有应力，内应力，锁定应力等。当内部结构经过机械加工、热加工或热处理时都会产生残余应力。焊接作为一种典型的加工方法，构件在经历了焊接热循环以后，在其内部将产生焊接残余应力，而且残余应力的数值往往能达到材料的屈服极限。当构件投入使用时，工作应力和构件内部的残余应力相叠加，将会恶化材料的使用性能。通常来讲，许多因素都会影响残余应力的大小，如焊接材料性能、接头形式、焊接热源、焊接工艺和焊接方法等，在这种情况下，要想进一步了解焊接变形和残余应力的变化规律，必须综合考虑各因素的影响，但由于焊接时涉及的影响因素较多，如果仅仅只是通过焊接实验来获取相应的数据，得出规律，再经过实践验证，这样既会花费大量的成本，还会消耗大量的时间和精力，性价比极低，随着计算机技术日新月异的发展，有限元仿真技术在工程领域内的应用也变得越来越广泛。基于有限元仿真能够十分便捷的实现对某些问题的模拟，得到有用的结论，从而提供重要的参考和依据，再筛选焊接参数。而在确定最佳工艺的过程中，往往涉及到大量的重复工作，在这种情况下，可以充分发挥计算机的作用，减少实验工作量，节约成本、时间和精力，且还具有较高的经济效益。在过去，人们往往通过实物实验或累计的经验来确定实际工程中的焊接参数和焊接工艺，不仅费时费力，而且焊接效果也不好，近年来，随着科技的不断发展，有限元方法逐渐成熟，在焊接领域的应用也变得越来越广泛，基于数值模拟对各类焊接的过程进行仿真计算，大大提高了分析效率，利用计算机来完成大量的分析工作，代替过去在车间和实验室中进行大量的实验，既可以节约时间，还能够降低成本。如果能够基于数值模拟方法实现对焊接问题的准确模拟，辅之以部分焊接实验进行佐证，便可以大大地提升焊接工作的效率。基于对前人的研究，本专利技术提出一种基于有限元软件ABAQUS的焊接残余应力测量方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供了一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法。本专利技术的技术方案如下。一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法包括如下步骤：1)根据焊接试件的几何形状、焊缝的熔宽和熔高，建立焊接试件的3D几何模型；2)采用全局撒点的方式对整个3D几何模型进行网格划分，再将模型内外表面的节点以焊缝为中心由密到疏设置，最后将模型中焊缝区域各边上的节点重新设置，提高到原有节点数的若干倍，保证模型焊缝处网格密度的细致；3)根据焊接母材的热物理性能参数建立焊接母材数据库，根据焊丝的热物理性能参数建立焊丝材料数据库，将数据库中的材料属性赋予3D几何模型中相应的部分；4)载入热边界条件，载入模拟热源；5)在焊接开始前将所有的焊缝单元隐藏，使其不参与焊接仿真温度场与应力场的计算，对焊件开始焊接时，使得焊缝单元逐一被激活，模拟焊缝金属的填充；将焊缝单元内部热量的逐一生成模拟焊接热源移动，在焊接初始阶段，只有当前第一焊缝单元及其周围区域参与热传导和热对流，其他焊缝单元对温度场没有影响，并且处于隐藏的状态；在焊接热源移动到第二焊缝单元时，第二焊缝单元显现出来，同时第一焊缝单元处的热量不再增加，第二焊缝单元处的热量开始增加，此时前面的第一焊缝单元只参与热量传导作用，和焊件其他位置的普通单元一样，都能够继续进行热量的对流和传导，处于隐藏状态的焊缝单元仍然不参与热传导和热对流；上一焊缝单元激活完毕后，焊接热源继续移动到下一焊缝单元，此过程循环进行，直至焊接热源遍历所有的焊缝单元；5)求解温度场，模拟冷却至室温的过程，偶合法求解应力场。优选的，所述的步骤2)具体为，先对整个模型采用全局撒点的方式，近似全局大小为2mm，再将模型内外表面的节点以焊缝为中心由密到疏设置，偏置比为5，最后将模型中焊缝区域各边上的节点重新设置，提高到原有节点数的两倍，保证模型焊缝处网格密度的细致。优选的，所述的步骤3)中的热物理性能参数为各温度下材料的泊松比、比热容、剪切模量、弹性模量、热膨胀系数和热导率。优选的，所述的步骤5)前还包括在3D几何模型的两侧施加X方向、Y方向、Z方向上的刚性约束的步骤，所述的步骤6)焊接完成后冷却至设定温度时，还包括解除上述刚性约束的步骤。优选的，所述的模拟热源为双椭球热源模型。优选的，所述的热边界条件选用如下三类边界条件：(1)边界温度已知：(2)边界热流密度分布已知：(3)边界热交换情况已知：qs(x,y,z,t)表示的是单位面积上外部传入的热源值，β(Ta-Ts)表示物体外表面的热交换系数，Ta表示的是周围存在的介质的温度，Ts表示的是已知的临界点的温度，nx，ny，nz表示的是边界以外的法线的方向余弦。附图说明图1为数值模拟3D几何模型；图2为全局网格划分图；图3为ABAQUS焊接模拟流程图；图4为内表面轴向应力分布图；图5为内表面环向应力分布图；图6为外表面轴向应力分布图；图7为外表面环向应力分布图；图8为内表面VonMises等效应力分布图；图9为外表面VonMises等效应力分布图；图10为残余应力测试点布置图；图11为环向应力实测值与模拟计算值比较图；图12为轴向应力实测值与模拟计算值比较图。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术做进一步的说明。以T91钢管为研究对象，根据被焊工件大小、尺寸和焊接工艺参数，建立焊件的3D有限元模型，数值模拟3D几何模型如图1所示。网格划分：对焊缝及其周围区域的网格划分相对细致，可以更加具体地描述焊件的应力场和温度场。焊件其他部分的网格间距会比较大，这样既方便测量，又能减少计算量。全局网格划分图如图2所示。材料数据库的建立：在焊接金属时，焊缝金属的物理状态经历了从弹性体→弹塑性体→塑性体→弹性体的变化，所以，金属本身的物理属性差异会给模拟结果带来很大的偏差。因此，要想精准地建立模型，首先要测算出这些数据。本方法中焊接母材所用材料为T91，填充金属为ER90S-B9焊丝，利用美国利曼ProdigyXPICP光谱仪，对焊接材料以及母材金属进行了化学成分质量分数的测定，结果如表1、表2所示。表1焊丝ER90S-B9的化学成分表2T91的化学成分载入热边界条件，载入模拟热源；在进行载荷(即热边界条件)的施加前，可预先定义好一些基本参数的值，定义室温为20℃，管道内外的对流换热系数为20W/(m2·K)，辐射换热系数为0.85。定义绝对零度为-273.15℃，波尔兹曼常数为5.67E-08。约束条件的加载：ABAQUS中可以对模型进行弹性和刚性两种形变约束。其中弹性约束用来模拟外力作用的，而刚性约束可以阻碍焊接构件位置的变动。因此，在有刚性约束的条件下，可以忽略约束部位的移动量。然而，如果在模拟刚性约束时的数据不准确，就会使整个仿真模型产生较大误差，大大影响模拟结果本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法，其特征在于包括如下步骤：1)根据焊接试件的几何形状、焊缝的熔宽和熔高，建立焊接试件的3D几何模型；2)采用全局撒点的方式对整个3D几何模型进行网格划分，再将模型内外表面的节点以焊缝为中心由密到疏设置，最后将模型中焊缝区域各边上的节点重新设置，提高到原有节点数的若干倍，保证模型焊缝处网格密度的细致；3)根据焊接母材的热物理性能参数建立焊接母材数据库，根据焊丝的热物理性能参数建立焊丝材料数据库，将数据库中的材料属性赋予3D几何模型中相应的部分；4)载入热边界条件，载入模拟热源；5)在焊接开始前将所有的焊缝单元隐藏，使其不参与焊接仿真温度场与应力场的计算，对焊件开始焊接时，使得焊缝单元逐一被激活，模拟焊缝金属的填充；将焊缝单元内部热量的逐一生成模拟焊接热源移动，在焊接初始阶段，只有当前第一焊缝单元及其周围区域参与热传导和热对流，其他焊缝单元对温度场没有影响，并且处于隐藏的状态；在焊接热源移动到第二焊缝单元时，第二焊缝单元显现出来，同时第一焊缝单元处的热量不再增加，第二焊缝单元处的热量开始增加，此时前面的第一焊缝单元只参与热量传导作用，和焊件其他位置的普通单元一样，都能够继续进行热量的对流和传导，处于隐藏状态的焊缝单元仍然不参与热传导和热对流；上一焊缝单元激活完毕后，焊接热源继续移动到下一焊缝单元，此过程循环进行，直至焊接热源遍历所有的焊缝单元；5)求解温度场，模拟冷却至室温的过程，偶合法求解应力场。...

【技术特征摘要】
1.一种基于ABAQUS的焊接残余应力测量方法，其特征在于包括如下步骤：1)根据焊接试件的几何形状、焊缝的熔宽和熔高，建立焊接试件的3D几何模型；2)采用全局撒点的方式对整个3D几何模型进行网格划分，再将模型内外表面的节点以焊缝为中心由密到疏设置，最后将模型中焊缝区域各边上的节点重新设置，提高到原有节点数的若干倍，保证模型焊缝处网格密度的细致；3)根据焊接母材的热物理性能参数建立焊接母材数据库，根据焊丝的热物理性能参数建立焊丝材料数据库，将数据库中的材料属性赋予3D几何模型中相应的部分；4)载入热边界条件，载入模拟热源；5)在焊接开始前将所有的焊缝单元隐藏，使其不参与焊接仿真温度场与应力场的计算，对焊件开始焊接时，使得焊缝单元逐一被激活，模拟焊缝金属的填充；将焊缝单元内部热量的逐一生成模拟焊接热源移动，在焊接初始阶段，只有当前第一焊缝单元及其周围区域参与热传导和热对流，其他焊缝单元对温度场没有影响，并且处于隐藏的状态；在焊接热源移动到第二焊缝单元时，第二焊缝单元显现出来，同时第一焊缝单元处的热量不再增加，第二焊缝单元处的热量开始增加，此时前面的第一焊缝单元只参与热量传导作用，和焊件其他位置的普通单元一样，都能够继续进行热量的对流和传导，处于隐藏状态的焊缝单元仍然不参与热传导和热对流；上一焊缝单元激活完毕后，焊接热源继续移动到下一焊缝单元，此过程循环进行，直至焊接热源遍历所有的焊缝单元；5)求解温度场，模拟冷却至室温的过程，偶...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹香琴，孔凡玉，缪泽宇，陈炜炜，沈红威，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33