本发明专利技术公开了一种基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法，所述方法通过改变焊接工艺参数并建立与焊接试验相应的第一有限元模型，开展焊接热力耦合分析；制备拉伸试样并进行拉伸试验，基于试验数据拟合硬化模型，并构建其线性组合硬化模型，以提高预测精度；建立与拉伸试验相应的第二有限元模型，并将硬化模型应用于第二有限元模型；结合拉伸试验及拉伸模拟结果，获取材料断裂应变与应力三轴度关系，继而拟合断裂失效模型；联合利用硬化模型、组合硬化模型与断裂失效模型，并采用评价函数对比不同硬化模型与失效模型联合使用的预测精度，最终达到预测焊接接头拉伸特性及断裂行为的目的，为焊接接头服役过程中焊接结构的损伤断裂失效的预测提供依据。结构的损伤断裂失效的预测提供依据。结构的损伤断裂失效的预测提供依据。
【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法
[0001]本专利技术属于机械工程及焊接加工应用领域，具体涉及一种基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法。
技术介绍
[0002]焊接是薄壁件常用的连接工艺，是一种以加热、高温或者高压的方式连接金属的制造工艺及技术，其中电弧焊在汽车、飞机、雷达天线及船舶领域应用广泛，但面临由于焊接过程中涉及到物理、传热、冶金和力学等多个学科，焊接接头服役中难以评估其安全性，断裂失效难预测的问题。
[0003]利用有限元建模软件对金属材料的力学性能试验进行模拟分析，能够直观对金属材料在整个试验过程中的应力应变状态进行分析，不仅能够有效预测金属材料的应力应变变化，为金属构件在服役过程中的失效分析、优化金属构件结构，还能对金属制造过程中提供指导和依据。CN111523183公开了《一种焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法》，该专利技术利用有限元建模分析法获取焊接接头力学性能，过程中考虑了焊接过程中温度对接头不同区域的影响，并对区域赋予不同的材料本构参数，实现对焊接接头微观区域力学性能的准确描述，但其有限元模型中应用的本构模型单一，缺少对比，方法仍具有优化空间。
[0004]综上所述，准确预测焊接接头断裂失效行为与力学特性，对焊接工艺参数优化与焊接接头的安全性评估有着重大意义。
技术实现思路
[0005]本专利技术所解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提出了一种基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法，结合试验与有限元模拟，通过组合硬化模型与断裂失效模型的联合使用，达到能够较为精准地实现预测焊接件拉伸断裂失效行为的目的。
[0006]实现本专利技术的技术解决方案为：一种基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法，步骤如下：
[0007]步骤1：通过改变焊接工艺参数进行分组焊接试验，制备焊接接头，记录焊接工艺参数及焊接件尺寸。
[0008]步骤2：建立与步骤1中焊接试验工况相对应的第一有限元模型，完成焊接热力耦合分析，得到热力耦合分析结果。
[0009]步骤3：制备拉伸试样：
[0010]将焊接接头切割为用于拉伸试验的拉伸试样，再进行拉伸试验，记录拉伸试验中拉伸试样的载荷位移数据。
[0011]步骤4：根据拉伸试样的载荷位移数据，获取材料真实应力
‑
应变关系，继而拟合硬化模型与组合硬化模型，结合热力耦合分析结果，建立与拉伸试验相对应的第二有限元模型，将硬化模型应用于第二有限元模型中进行拉伸模拟，得到第一拉伸模拟结果。
[0012]步骤5：基于材料真实应力
‑
应变关系、第一拉伸模拟结果，获取材料断裂应变与应
力三轴度关系，进而拟合断裂失效模型。
[0013]步骤6：将硬化模型与断裂失效模型联合应用于第二有限元模型中进行拉伸模拟，得到第二拉伸模拟结果。将组合硬化模型与断裂失效模型联合应用于第二有限元模型中进行拉伸模拟，得到第三拉伸模拟结果。
[0014]步骤7：通过评价函数对第二拉伸模拟结果和第三拉伸模拟结果进行评价，对比不同硬化模型与断裂失效模型联合使用的预测精度。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0016](1)本专利技术有限元拉伸模拟中沿用热力耦合分析结果，达到了有限元分析中模型的一致性。
[0017](2)本专利技术实现了硬化模型和断裂失效模型的联合利用，为焊接接头服役过程中焊接结构的损伤断裂失效的预测及焊接性能的提高提供依据。
[0018](3)本专利技术通过有限元模拟代替了大量的试验，有效降低成本。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例中焊接接头尺寸及边界条件示意图。
[0020]图2是本专利技术实施例中第一有限元模型图。
[0021]图3是本专利技术实施例中热力耦合与拉伸模拟的建模分析流程图。
[0022]图4是本专利技术实施例中第二有限元模型图。
[0023]图5是本专利技术实施例中第二、第三拉伸模拟结果与试验的真实应力应变曲线图。
[0024]图6是本专利技术实施例中不同电流下第二、第三有限元模拟结果和拉伸试验结果中的屈服强度及抗拉强度变化趋势曲线图。
[0025]图7是本专利技术实施例中不同电流下第二、第三有限元模拟结果的屈服强度相对误差、抗拉强度相对误差、相关系数和均方误差图。
[0026]图8是本专利技术所述的一种基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法流程图。
具体实施方式
[0027]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]另外，本专利技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本专利技术要求的保护范围指内。
[0029]下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次专利技术的技术难点、专利技术点进行进一步介绍。
[0030]结合图8，本专利技术所述的一种基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法，步骤如下：
[0031]步骤1：通过改变焊接工艺参数进行分组焊接试验，制备焊接接头，记录焊接工艺
参数及焊接件尺寸。其中，焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度，焊接件尺寸包括板厚、板高、板宽、焊缝截面形状大小。
[0032]步骤2：建立与步骤1中焊接试验工况相对应的第一有限元模型，热源采用双椭球热源模型，完成焊接热力耦合分析，得到热力耦合分析结果。
[0033]双椭球热源模型表达式如下：
[0034][0035]f1+f2＝2
[0036]其中，q1表示前半椭球热流密度，q2表示后半椭球热流密度，x表示距热源中心焊接方向上的距离，y表示距热源中心熔宽方向上的距离，z表示距热源中心熔深方向上的距离，a1表示焊接方向前半轴长，a2表示焊接方向后半轴长，b表示焊缝宽度方向半轴长，c表示焊缝深度方向半轴长，f1表示前半椭球能量分配系数，f2表示后半椭球能量分配系数，η表示热效率，I表示焊接电流，U表示焊接电压。
[0037]步骤3：制备拉伸试样：
[0038]将焊接接头切割为用于拉伸试验的拉伸试样，再进行拉伸试验，记录拉伸试验中拉伸试样的载荷位移数据。
[0039]步骤4：根据拉伸试样的载荷位移数据，获取材料真实应力
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应变关系，继而拟合硬化模型与组合硬化模型。在三维软件中将步骤2中热力耦合分析结果中的几何模型按照拉伸试样尺寸进行分割，建立与拉伸试验相对应的第二有限元模型，将硬化模型应用于第二有限元模型中进行拉伸模拟，得到第一拉伸模拟结果，具体如下：
[0040]硬化模型包括Johnson
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：通过改变焊接工艺参数进行分组焊接试验，制备焊接接头，记录焊接工艺参数及焊接件尺寸；步骤2：建立与步骤1中焊接试验工况相对应的第一有限元模型，完成焊接热力耦合分析，得到热力耦合分析结果；步骤3：制备拉伸试样：将焊接接头切割为用于拉伸试验的拉伸试样，再进行拉伸试验，记录拉伸试验中拉伸试样的载荷位移数据；步骤4：根据拉伸试样的载荷位移数据，获取材料真实应力
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应变关系，继而拟合硬化模型与组合硬化模型，结合热力耦合分析结果，建立与拉伸试验相对应的第二有限元模型，将硬化模型应用于第二有限元模型中进行拉伸模拟，得到第一拉伸模拟结果；步骤5：基于材料真实应力
‑
应变关系、第一拉伸模拟结果，获取材料断裂应变与应力三轴度关系，进而拟合断裂失效模型；步骤6：将硬化模型与断裂失效模型联合应用于第二有限元模型中进行拉伸模拟，得到第二拉伸模拟结果；将组合硬化模型与断裂失效模型联合应用于第二有限元模型中进行拉伸模拟，得到第三拉伸模拟结果；步骤7：通过评价函数对第二拉伸模拟结果和第三拉伸模拟结果进行评价，对比不同硬化模型与断裂失效模型联合使用的预测精度。2.如权利要求1所述的基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法，其特征在于：步骤1中，焊接工艺参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度，焊接件尺寸包括板厚、板高、板宽、焊缝截面形状大小。3.如权利要求1所述的基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法，其特征在于：步骤2中，热力耦合分析时，热源采用双椭球热源模型，双椭球热源模型表达式如下：f1+f2＝2其中，q1表示前半椭球热流密度，q2表示后半椭球热流密度，x表示距热源中心焊接方向上的距离，y表示距热源中心熔宽方向上的距离，z表示距热源中心熔深方向上的距离，a1表示焊接方向前半轴长，a2表示焊接方向后半轴长，b表示焊缝宽度方向半轴长，c表示焊缝深度方向半轴长，f1表示前半椭球能量分配系数，f2表示后半椭球能量分配系数，η表示热效率，I表示焊接电流，U表示焊接电压。4.如权利要求1所述的基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法，其特征在于：步骤3中，焊接接头的切割方式为线切割。5.如权利要求1所述的基于有限元法的薄壁件焊接接头拉伸特性预测方法，其特征在于：步骤4中，硬化模型包括Johnson
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Cook硬化模型、Swift模型、Voce模型和H
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S模型；
Johnson
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Cook硬化模型表达式如下：其中，σ为等效...
【专利技术属性】
技术研发人员：潘明辉，李玉超，孙思远，陈文韬，孙奥林，廖文和，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：
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