低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法技术

本发明专利技术公开了低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、建立低合金高强钢多层多道对接板结构焊接过程的热力耦合计算模型；步骤2、设置焊接模型的初始条件和边界条件；步骤3、建立焊接的热源模型及求解任务；步骤4、任务提交求解并进行后处理。通过本发明专利技术的方法能实现对低合金高强钢厚板双丝焊接过程的温度场及应力场的模拟计算，能通过模拟得到厚板对接结构焊接后构件上的应力分布及变形情况，预判构件在使用过程中失效位置，指导实际使用。指导实际使用。指导实际使用。

【技术实现步骤摘要】
低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法


[0001]本专利技术属于焊接数值模拟
，具体涉及一种低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法。

技术介绍

[0002]在工程机械、船舶、高层建筑、压力容器等制造领域，低合金高强钢的焊接工艺是制造的关键工序，由于低合金高强钢对大输入适应性差，容易出现脆化现象，所以现多采用双丝焊接的方法。焊接过程具有高温、瞬时、动态等特点，以及双丝焊焊缝及母材将经受前后两次连续的焊接热循环，因此使用传统的测试方法难以准确获得双丝焊接过程中焊接构件上温度、应力等参量的变化情况。随着计算机硬件和数值分析技术的发展，通过对双丝焊接过程建立物理模型，并采用合适的数值分析方法对物理模型进行求解，获得求解域内的状态变量；可以精确预测双丝焊接过程中焊件上温度及应力分布，弥补了传统实验方法的不足。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，解决了现有技术中存在的低合金高强钢厚板的双丝焊接过程中焊件温度变化及焊后残余应力、变形难以预测的问题。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是，低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：
[0005]步骤1、建立低合金高强钢多层多道对接板结构焊接过程的热力耦合计算模型；
[0006]步骤2、设置热力耦合计算模型的初始条件和边界条件；
[0007]步骤3、建立焊接的热源模型及求解任务；
[0008]步骤4、任务提交求解并进行后处理。
[0009]本专利技术的特征还在于，
[0010]步骤1具体按照以下步骤实施：
[0011]步骤1.1、利用三维造型软件对母材、焊缝建立三维实体模型，并将其合并为整体的几何模型；
[0012]步骤1.2、利用编程语言定义母材及焊缝材料随温度变化的物理性能参数，并将材料属性分别赋予相应结构部位；
[0013]步骤1.3、对步骤1.1得到的几何模型按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分，最终得到热力耦合计算模型。
[0014]步骤1.3具体为，先利用过渡单元对有限元模型的面进行划分，然后采用扫掠的方式对模型整体进行网格划分。
[0015]步骤2具体为，在初始步中设置焊接构件的初始温度和温度场的边界条件，建立直接热力耦合分析步，并选择通过用户自定义的热源子程序在焊接构件整体上施加随时间变
化的体热流。
[0016]所述温度场的边界条件包括对流和热辐射。
[0017]步骤3具体包括以下步骤：
[0018]步骤3.1、基于平板焊接模型用的椭圆或双椭球热源模型，针对厚板的焊接电弧对熔深有挖掘作用的特点，采用双椭球对热源模型，并对前后不同热源模型进行修正；
[0019]在直角坐标系中，当焊接中心坐标为(x0，y0，z0)，平板焊接时双热源热输入前丝位置为(x，y，z)、后丝位置为(x，y，z1)；
[0020]步骤3.2、利用APDL编程语言编辑子程序，建立厚板双丝焊接的整体热源模型，其热源模型分为四个部分，具体的热流密度分布函数为：
[0021]前丝前半部分椭球内的热流密度分布函数为：
[0022][0023]前丝后半部分椭球内的热流密度分布函数为：
[0024][0025]后丝前半部分椭球内的热流密度分布函数为：
[0026][0027]后丝后半部分椭球内的热流密度分布函数为：
[0028][0029]其中,Q1为前丝的热生成率；Q2为后丝的热生成率；Q1＝ηU1I1、Q2＝ηU2I2，η为焊接热效率；U1为前丝焊接电压、U2为后丝焊接电压；I1为前丝焊接电流、I2为后丝焊接电流；a
11
为前丝前半椭球长度、a
12
为前丝后半椭球长度、a
21
为后丝前半椭球长度、a
22
为后丝后半椭球长度、b1为前丝熔宽、b2为后丝熔宽、c1为前丝熔深、c2为后丝熔深；f1为热源模型前部分的能量分配系数；f2为热源模型后部分的能量分配系数；
[0030]步骤3.3、利用工具
→
集
→
创建
→
单元
→
以拓扑为单元选择集合，创建焊缝单元的集合，并对焊缝进行命名，以确定热源模型子程序路径，建立求解任务。
[0031]步骤4具体按照以下步骤实施：
[0032]步骤4.1、建立分析步，整个焊接模拟过程分为6个分析步，第一个分析步为step
‑
1，进行打底层焊缝的焊接；第二个分析步为step
‑
2，打底层焊缝焊接完成后冷却过程；第三个分析步为step
‑
3，进行填充层焊缝的焊接；第四个分析步为step
‑
4，填充层焊缝焊接完成后冷却过程；第五个分析步为step
‑
5，进行盖面层焊缝的焊接；第六个分析步为step
‑
6，即整个焊接过程完成后冷却过程；
[0033]步骤4.2、提交求解任务并进行温度场的求解，有限元软件基于传热控制的微分方程进行传热计算分析：
[0034][0035]式中：ρ表示焊接材料密度(kg
·
m
‑3)；c表示焊接材料比热容(J
·
kg
·
℃
‑1)；T表示温度场温度分布函数；t表示时间。
[0036]求解温度场时，通过生死单元来模拟热源移动，即焊接材料填充过程，求解之前需“杀死”内、外焊缝所包含单元，在求解过程中逐步激活；
[0037]步骤4.3、求解应力场，将分析温度场时所得的节点温度加载到模型中，计算构件在焊接过程中的应力及变形情况，应力场求解之前先将热分析单元转换为对应的结构单元并对焊接件施加位移约束边界条件，使整个结构在计算中不发生整体平移或刚性转动；
[0038]步骤4.4、进入后处理器，读取计算结果，获得厚板对接结构焊接过程的温度场及应力场。
[0039]本专利技术的有益效果是：
[0040]1、通过本专利技术低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法能实现对厚板结构双丝焊接过程的温度场及应力场的模拟计算；
[0041]2、通过本专利技术低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法能通过模拟得到厚板双丝焊接后构件上的应力分布及变形情况，预判构件在使用过程中失效位置，指导实际使用。
附图说明
[0042]图1是本专利技术一种低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法的结构示意图；
[0043]图2是本专利技术一种低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法的实例中焊接结构的网格划分图；
[0044]图3是本专利技术一种低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法的实例中打底焊焊接完成时温度分布；
[0045]图4是本专利技术一种低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法的实例中打底焊焊后冷却100s时温度分布；
[0046]图5是本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、建立低合金高强钢多层多道对接板结构焊接过程的热力耦合计算模型；步骤2、设置热力耦合计算模型的初始条件和边界条件；步骤3、建立焊接的热源模型及求解任务；步骤4、任务提交求解并进行后处理。2.根据权利要求1所述的低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，其特征在于，步骤1具体按照以下步骤实施：步骤1.1、利用三维造型软件对母材、焊缝建立三维实体模型，并将其合并为整体的几何模型；步骤1.2、利用编程语言定义母材及焊缝材料随温度变化的物理性能参数，并将材料属性分别赋予相应结构部位；步骤1.3、对步骤1.1得到的几何模型按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分，最终得到热力耦合计算模型。3.根据权利要求2所述的低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，其特征在于，步骤1.3具体为，先利用过渡单元对有限元模型的面进行划分，然后采用扫掠的方式对模型整体进行网格划分。4.根据权利要求1所述的低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，其特征在于，步骤2具体为，在初始步中设置焊接构件的初始温度和温度场的边界条件，建立直接热力耦合分析步，并选择通过用户自定义的热源子程序在焊接构件整体上施加随时间变化的体热流。5.根据权利要求4所述的低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，其特征在于，所述温度场的边界条件包括对流和热辐射。6.根据权利要求1所述的低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：步骤3.1、基于平板焊接模型用的椭圆或双椭球热源模型，针对厚板的焊接电弧对熔深有挖掘作用的特点，采用双椭球对热源模型，并对前后不同热源模型进行修正；在直角坐标系中，当焊接中心坐标为(x0，y0，z0)，平板焊接时双热源热输入前丝位置为(x，y，z)、后丝位置为(x，y，z1)；步骤3.2、利用APDL编程语言编辑子程序，建立平板双丝焊接的整体热源模型，其热源模型分为四个部分，具体的热流密度分布函数为：前丝前半部分椭球内的热流密度分布函数为：前丝后半部分椭球内的热流密度分布函数为：后丝前半部分椭球内的热流密度分布函数为：
后丝后半部分椭球内的热流密度分布函数为：其中,Q1为前丝的热生成率；Q2为后丝的热生成率；Q1＝ηU1I1、Q2＝ηU2I2，η...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏，郜雅彦，苟传东，李保铃，李毅，袁启龙，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：