温度场数值模拟辅助测量超高强钢焊接残余应力的方法技术

本发明专利技术涉及一种温度场数值模拟辅助测量超高强钢焊接残余应力的方法，包括以下步骤：按照被焊工件材料、尺寸及其焊接工艺，建立3D有限元模型，进行焊接过程数值模拟，获得工件在整个焊接过程中的温度场变化情况；根据焊件各位置的峰值温度以及材料的物性参数，有针对地选取小孔法钻孔测量位置以及各位置使用的应变花尺寸；在选中的测量位置粘贴相应的应变花，按照标准用小孔法测量焊接残余应力。本发明专利技术为小孔法测量超高强钢焊接残余应力的过程提供了更加清晰的指导方案，能够提高测量效率，节省测量成本，提高捕捉到峰值应力的可能性，使测量结果能更有效地反映高强钢焊接残余应力分布的真实情况。应力分布的真实情况。应力分布的真实情况。

【技术实现步骤摘要】
温度场数值模拟辅助测量超高强钢焊接残余应力的方法


[0001]本专利技术涉及含能材料制备工艺
，特别涉及一种温度场数值模拟辅助测量超高强钢焊接残余应力的方法。

技术介绍

[0002]金属构件在焊接过程中受到局部不均匀热输入所产生的热变形和组织变形受到构件本身刚度的约束将不可避免地产生焊接残余应力。在构件服役过程中，焊接残余应力与工作载荷叠加，将对其静载强度、疲劳寿命以及耐应力腐蚀等性能产生影响。因此，有效地测量焊件的残余应力，明确具体材料在具体焊接工艺下产生的焊接残余应力的大小及其分布，对后续调控焊接残余应力、评价焊接结构的可靠性起着至关重要的作用。
[0003]相对于实验测量，随着计算机科学以及计算焊接力学的日臻完善，焊接过程数值模拟现已经成为了重要的预测手段。诸多实例证明，在采用高质量的网格模型、准确的材料参数以及合适的边界条下，它可以有效地预测焊接变形以及焊接残余应力。目前，焊接过程数值模拟技术已经成为了实验测量的重要补充，甚至，在某些场合下可以取代实验测量。但是，接残余应力和变形的计算需要基于温度场的计算结果，并且焊接是一个涉及多物理场耦合的复杂过程，具有多重非线性的特点，要想精准地模拟出焊接残余应力分布需要有较为严苛的计算条件，若只进行温度场的模拟，则可以节省很多资源。
[0004]针对焊接残余应力的测量按照是否对构件产生损伤主要分为两类。(1)破坏性测量：切条法、切块法、剥层法以及钻孔应变法等。该类方法是采用机械手法去除掉构件的局部材料，测量被释放的应变，并根据本构关系计算出焊接残余应力。(2)非破坏性测量：X射线衍射法、中子衍射法、超声法以及磁力检测等。该类方法不会对构件产生损伤，隶属于无损检测法。
[0005]钻孔应变法（小孔法）按照所钻孔的深度又分为通孔法和盲孔法。这种方法理论完善、技术成熟、对构件破坏小并且设备简单，适合测量各向同性线弹性材料近表面的残余应力，在表面应力分布复杂的焊接结构残余应力测量上表现出独特的优势，是目前应用最广泛的焊接残余应力测量手段之一。但是，小孔法只能选取构件上有限个离散的位置布置应变花进行测量，每个位置在钻孔后都会改变该局部区域的应力分布，影响后续测量位置的选择。因此，如何有效地布置应变花以测取满意的结果成为了小孔法测量焊接残余应力关键问题。此外，小孔法得到的是所钻孔洞局部区域内残余应力的平均值，理论上尺寸越小的应变花所测得的数据越能准确地反映钻孔位置残余应力的真实情况，考虑到测量成本，如何有针对性地选取合适规格的应变花在实际生产中也很重要。
[0006]在实际应用的过程当中，很多情况下都是将大量同型号的应变花均布于待测焊件或是仅凭经验进行布置。这些做法针对应用宽泛的常见材料具有简单便捷的优势，但无法避免造成资源的大量投入，且焊接残余应力本身具备分布不均匀、应力梯度在整个构件上变化大的特点，按上述做法很难测得令人满意的结果。而对于超高强钢或是其他成分复杂的材料，考虑到焊接冷却过程中发生的以马氏体转变为主的固态相变以及加热过程导致的
材料软化问题，这将进一步导致焊接残余应力分布的复杂性。就承载结构而言，峰值应力的位置尤为重要，在出现固态相变和软化问题后，峰值应力实际出现的位置可能会与一般经验性的判断存在差异。因此，针对上述问题，为了更加准确、高效地利用好焊接过程数值模拟技术以及小孔法测量焊接残余应力，尤其是针对强度级别很高的材料，需要开发一种行之有效的应变花布置方式。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的上述问题，专利技术的目的是为了使小孔法测量超高强钢焊接残余应力的过程有清晰明确的指导方案，提高测量效率，节省测量成本，提高捕捉到峰值应力的可能性，使测量结果能更有效地反映超高强钢焊接残余应力分布的真实情况。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种温度场数值模拟辅助测量超高强钢焊接残余应力的方法，包括如下步骤：S1：根据被焊工件的几何尺寸利用现有建模软件（例如利用HyperMesh软件）建立3D有限元模型，利用建立好的3D有限元模型，使用现有有限元软件（例如SYSWELD软件），按被焊工件的材料属性及其焊接工艺进行焊接过程数值模拟，获得被焊工件在整个焊接过程中的温度场分布趋势；S2：根据S1所获得的温度场分布趋势，按照各位置的峰值温度以及被焊工件的材料属性划分出低应力区、重点检测区和应力平缓区，在各低应力区、重点检测区和应力平缓区三个区域内选取钻孔测量点； S3：在重点检测区选择孔心片心距小于5mm的应变花；其他区域的应变花尺寸无特殊要求； S4：在选中的钻孔测量点粘贴应变花，按GB/T 31310
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2014或ASTM E837
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13a标准用小孔法测量并记录每个设定位置的残余应力。具体的，由于沿焊缝方向应力梯度较小，可以沿焊缝方向将钻孔测量点的测量结果投影到一条垂直于焊缝的直线上，建立应力
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距焊缝中心距离坐标系。
[0009]作为优选，所述S2中取峰值温度超过母材熔点的区域为低应力区；取紧邻低应力区约3
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4倍HAZ宽度的区域为重点检测区；剩余的区域为应力平缓区。就超高强钢而言，根据理论推导，峰值温度超过母材熔点的区域（焊缝金属）残余应力较低，甚至可能出现压应力，将该部分划分为低应力区；被焊工件峰值温度处于2Tp～AC1附近的区域残余应力梯度最大，由于该区间温度上限可能超过母材熔点，认为热影响区附近的应力梯度在整个构件范围内最大，考虑到应变花本身的尺寸大小以及超高强钢焊接过程中的固态相变和软化问题，为更加有效地捕捉到峰值应力，更加真实地反映应力梯度的过渡，取宽于热影响区（最好是3
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4倍HAZ宽度）的区域为重点检测区；剩余的区域为应力平缓区。
[0010]作为优选，在S1中建立3D有限元模型时，被焊工件的焊缝区宽度方向网格尺寸小于整个宽度的1/4，深度方向网格小于1/2，长度方向网格尺寸小于焊接速度的值。
[0011]作为优选，在S2中，钻孔测量位置在工件上温度场全程处于准稳态且钻孔中心离被焊工件边缘距离大于孔心片心距的3倍的上表面部分区域，在重点检测区应尽可能多地布置测量点位，而其他区域可以减少测量位置以节省资源，各应变花钻孔中心之间的距离应大于所钻孔洞直径的6倍。
[0012]相对于现有技术，本专利技术至少具有如下优点：现有技术一般是分别采用数值模拟技术预测或小孔法实测焊接残余应力。数值模拟焊接应力场所需计算条件苛刻、耗时久，而小孔法测量位置的选择以及应变花的选取等方面大都是仅凭经验或是机械呆板地全局等距布置，不仅难以把握峰值应力所在的位置，还会产生大量测量成本。
[0013]基于焊接温度场数值模拟简单快速的特点，本专利技术在进行小孔法测量之前，对被焊工件的温度场进行数值模拟，依据数值模拟结果对待测构件进行分区，有针对地根据各区域的特点制定各自的测量。在低应力区和应力平缓区，选择价格更低的应变花并减少测量点位的布置以控制成本；而在重点检测区选择尺寸较小的应变花以提高测量精度；此外，由数值模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种温度场数值模拟辅助测量超高强钢焊接残余应力的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：根据被焊工件的几何尺寸利用现有建模软件建立3D有限元模型，利用建立好的3D有限元模型，使用现有有限元软件，按被焊工件的材料属性及其焊接工艺进行焊接过程数值模拟，获得被焊工件在整个焊接过程中的温度场分布趋势；S2：根据S1所获得的温度场分布趋势，按照各位置的峰值温度以及被焊工件的材料属性划分出低应力区、重点检测区和应力平缓区，在各低应力区、重点检测区和应力平缓区三个区域内选取钻孔测量点； S3：在重点检测区选择孔心片心距小于5mm的应变花； S4：在选中的钻孔测量点粘贴应变花，按GB/T 31310
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2014或ASTM E837
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13a标准用小孔法测量并记录每个设定位置的残余应力。...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯广杰，刘红艳，毛峙溆，陈子刚，成慧梅，王青云，王义峰，邓德安，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：