一种以温度为控制变量的焊接数值模拟计算方法

摘要

本发明涉及一种以温度为控制变量的焊接数值模拟计算方法，包括以下步骤：1)将焊接温度场分布整理成时间和空间的函数：T(x，y，z，t)＝f(x)f(y)f(z)f(t)；2)将得到的温度分布函数T(x，y，z，t)＝f(x)f(y)f(z)f(t)作为热学边界条件，以子程序的形式添加到焊接结构的力学分析模型中；3)计算模型的焊接残余应力和残余变形。本发明将焊接模拟中的控制变量由热量转变为温度，并将合适的温度分布以分段形式添加到力学分析模型上进行应力和变形的分析，可以将结构焊接的力学数值分析时间减少到采用移动热源法所用时间的10％以内。本发明可以广泛用于焊缝长度大、数量多、道次多的焊接结构，在工程上的推广引用具有极其重要的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊接领域的数值模拟计算方法，特别在关于一种适用于分析焊缝长度大、数量多、道次多的焊接结构的以温度为控制变量的焊接数值模拟计算方法。

背景技术

一般焊接数值模拟在焊接加工领域的应用日趋广泛，但由于焊接温度场的严重不均匀性，致使模拟中包含了大量高度非线性的和大规模的矩阵计算，其效率低下的缺点严重阻碍了实际生产应用。在焊接过程中，焊接温度场分布是关键环节，它影响被焊材料的塑性应变，进而影响结构的残余应力和变形。传统的焊接数值模拟通常采用移动热源法，根据焊接参数和焊接熔池特征将焊接热量按照某种分布形式作用于被焊区域，并且热源以实际的焊接速度沿焊缝逐步向前移动，因此当焊缝数量较多时，数值模拟的效率将极其低下。以往有研究采用分段热源法来提高焊接模拟计算的效率，但该方法中的控制变量是热量，过程涉及了大量极其复杂的热学等效计算，虽然也能提高模拟计算的效率，但对焊接温度场的控制较差，计算结果的准确程度不高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以直接和准确地控制焊接温度场，在准确获得模拟结果的基础上，可以提高焊接模拟计算效率的以温度为控制变量的焊接数值模拟计算方法，该模拟技算方法也可以简称为温度函数法。

为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：一种以温度为控制变量的焊接数值模拟计算方法，包括以下步骤：1)将焊接温度场分布整理成时间和空间的函数：T(x，y，z，t)＝f(x)f(y)f(z)f(t)；2)将得到的温度分布函数T(x，y，z，t)＝f(x)f(y)f(z)f(t)作为热学边界条件，以子程序的形式添加到焊接结构的力学分析模型中；3)计算模型的焊接残余应力和残余变形。

所述将焊接温度场分布整理成时间和空间的函数的步骤如下：①利用移动热源法模拟焊接温度场，并使之进入准稳态；②在模型上表面宽度方向每个位置的温度都选取该位置在准稳态下所能达到的峰值温度，获得模型上表面宽度方向的温度分布曲线，利用函数近似得到温度分布函数中的f(y)；③将模型下表面宽度方向每个位置的温度也选取该位置在准稳态下所能达到的峰值温度，得到模型下表面在宽度方向的温度分布曲线，模型厚度方向的温度根据其上下表面的温度进行线性插值由此可以得到模型厚度方向的温度分布函数f(z)；④将模型上的各条焊缝沿长度方向均匀成3～5段，利用f(x)的控制将温度场以分段的方式添加到模型上，将当前有温度作用的分段中f(x)取值为1，其余分段f(x)取值为0；⑤将焊接过程的时间压缩到1s～10s。

将各节点温度历史曲线在起始点、温度峰值点和终止点之间用直线连接。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将焊接模拟中的控制变量由热量转变为温度，并将合适的温度分布以分段形式添加到力学分析模型上进行应力和变形的分析，因此极大的提高了焊接模拟的效率，可以将结构焊接的力学数值分析时间减少到采用移动热源法所用时间的10％以内。2、本发明方法由于将焊接模拟中的控制变量由热量转变为温度，因此与分段热源法相比，避免了热源等效过程的复杂计算，实现了直接对焊接温度场分布的精确控制，不但简化了计算过程，而且可以有效地保证力学分析结果的准确性。3、本发明方法适用于各种焊接技术、各种形式的焊接接头和焊缝长度大、数量多、道次多的焊接结构，在工程上的推广引用具有极其重要的作用。

附图说明

图1是采用本发明方法与常规移动热源法所得结果比较示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明在焊接数值模拟中，采用移动热源法获得准稳态温度场，并将该温度场分布整理成为时间和空间的四维函数，然后将该温度分布函数作为热学边界条件添加到焊接结构的力学分析模型中进行应力和变形分析，并计算出模型的焊接残余应力和残余变形。为了提高分析计算的效率，该温度分布函数在沿焊缝方向采用分段模式，本发明方法的具体步骤如下：

1)将焊接温度场分布整理成时间和空间的函数：T(x，y，z，t)＝f(x)f(y)f(z)f(t)；

①利用移动热源法模拟焊接温度场，并使之进入准稳态；

②确定模型上表面宽度方向的温度分布函数f(y)。在模型上表面宽度方向每个位置的温度都选取该位置在准稳态下所能达到的峰值温度，获得模型上表面宽度方向的温度分布曲线，利用函数近似得到温度分布函数中的f(y)；

③确定模型厚度方向的温度分布函数f(z)。将模型下表面宽度方向每个位置的温度也选取该位置在准稳态下所能达到的峰值温度，得到模型下表面在宽度方向的温度分布曲线，模型厚度方向的温度根据其上下表面的温度进行线性插值由此可以得到模型厚度方向的温度分布函数f(z)；

④确定模型长度方向的温度分布函数f(x)。将模型上的各条焊缝沿长度方向均匀分段，分段数量视具体情况而定，一般分3～5段较为合适，利用f(x)的控制将温度场以分段的方式添加到模型上，即当前有温度作用的分段中f(x)取值为1，其余分段f(x)取值为0；

⑤确定焊接温度随时间的变化函数f(t)。将焊接过程的时间进行适当压缩，以缩短焊接数值模拟分析的时间，根据实际焊接过程用时和分段模拟的段数，整个焊接过程压缩到1s～10s比较合适，本实施例采用的是1s，但不限于此。这种时间轴的压缩不同于实际中的快速焊接，而是像动画的快速播放，虽然时间缩短，但温度场的信息没有改变。除此之外，对每个节点的温度变化历程进行简化，将各节点温度历史曲线在起始点、温度峰值点和终止点之间简化为直线，即将三点用直线连接，使有限元计算中剧烈的温度变化变得平缓。

2)将得到的温度分布函数T(x，y，z，t)＝f(x)f(y)f(z)f(t)以子程序的形式添加到焊接力学分析模型中，计算模型的焊接残余应力和残余变形。

例如分别利用移动热源法和本发明方法对铝合金薄板搅拌摩擦焊进行力学分析，对焊的两块薄板尺寸为600mm×315mm×3mm，利用商业化的有限元软件对焊接结构进行几何建模和网格划分。

在利用移动热源法进行模拟过程中，根据实际焊接工艺参数(仅以此为例，但不限于此)：转速1850rpm，焊速700mm/min，搅拌头扭矩8.76Nm，确定焊接热源模型，并先计算出焊接温度场，然后将焊接温度场逐步读入力学分析模型完成残余应力和变形的分析。

利用本发明进行焊接数值模拟的步骤如下：

1)首先在移动热源法计算获得的温度场中任意选取一个准稳态时刻，将焊接温度场分布整理成空间的函数：T(x，y，z)＝f(x)f(y)f(z)。

①确定模型上表面宽度方向的温度分布函数f(y)。将模型上表面宽度方向每个位置的温度都选取该位置在准稳态下所能达到的峰值温度，获得宽度方向的温度分布曲线，利用函数近似可得到宽度方向的温度分布函数f(y)：

$f\left(y\right)=\left(\begin{array}{cc}20.106+438.46*\exp (-y/0.01098)& (y>0.02)\\ 89+394.36*\exp (-11726y^2)& (-0.02\le y\le 0.02)\\ 20.106+438.46*\exp (y/0.01098)& (y<-0.02)\end{array}\right)---\left(1\right)$

②确定模型厚度方向的温度分布函数f(z)。按照①中所介绍的方法获取模型下表面在宽度方向的温度分布曲线。模型厚度方向的温度将根据模型上下表面的温度进行线性插值，从而得到厚度方向的温度分布函数f(z)：

③确定模型长度方向的温度分布函数f(x)。温度场在焊缝全长上平均分为5段添加，按照模型所在的坐标值得到长度方向的控制函数f(x)：

2)确定焊接温度随时间的变化函数f(t)。将焊接过程压缩到1s内完成，并将每个节点的温度上升和下降简化为随时间线性变化，使有限元计算中剧烈的温度变化变得平缓。

$f\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}2t& (0\le t\le 0.5)\\ 2-2t& (0.5<t\le 1)\end{array}\right)---\left(4\right)$

3)结合函数(1)(2)(3)(4)，将温度场整理成随时间和空间分布的四维函数：T(x，y，z，t)＝f(x)f(y)f(z)f(t)。

4)将得到的温度分布函数T(x，y，z，t)＝f(x)f(y)f(z)f(t)以子程序的形式添加到焊接力学分析模型中，计算模型的焊接残余应力和残余变形。

如图1所示，是采用本发明方法与常规移动热源法得到的模型在x＝360mm线上的横向和纵向应力结果的比较。从结果比较可以看出：两种方法得到的残余应力的分布特征完全吻合，应力数值上的差异也在5％以内。

如表1、表2所示，是本发明方法与常规移动热源法得到的模型上x＝20，360，580mm，y＝0，-116，-310mm六根参考线上的变形挠度的数据，其中x＝20，360，580mm三根参考线描述了模型在宽度方向的变形(如表1所示)，而y＝0，-116，-310mm描述了模型在长度方向的变形(如表2所示)。为了更方便地比较残余变形结果，我们将上凸变形的挠度值定义为正值，而下凹变形的挠度定义为负值。

表1：本发明与移动热源法得到的模型宽度方向残余变形结果(mm)

表2：本发明与移动热源法得到的模型长度方向残余变形结果(mm)

比较结果说明：利用本发明模拟得到的模型残余变形的形状和实验结果完全一致，都是模型的宽度方向发生下凹变形，而长度方向发生上凸变形。在变形的数值上，本发明具有和移动热源法相同的精度。

如表3所示，是利用本发明与常规移动热源法在模拟两种选定尺寸的铝合金薄板的搅拌摩擦焊接过程时所耗费时间的比较。

表3：本发明与常规移动热源法模拟耗时结果

*温度函数法不需要完成温度场分析的全过程，计算到温度场进入准稳态即可。

比较结果说明：利用本发明可以极大地缩短焊接数值模拟中的力学分析过程的耗时，与传统移动热源法相比，本发明可以在保证计算精度的基础上，将结构焊接数值模拟过程中的总耗时减少到采用移动热源法时的10％以内。