CN102592019B - 一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法 - Google Patents
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Abstract
一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，它有七大步骤：步骤一：结合焊接残余应力产生机理来选择有限元单元；步骤二：建立材料模型库；步骤三：建立加速度计结构模型；步骤四：建立加速度计有限元模型；步骤五：施加约束及载荷；步骤六：进行直接热应力耦合仿真；步骤七：自然冷却，保留残余应力，保持模型不变，删除热流密度载荷，仿真自然冷却的过程，仍然进行直接热应力耦合瞬态仿真，求得在冷却过程中的温度变化和应力变化。本发明建立了基于石英挠性加速度计有限元模型的瞬态直接热应力耦合仿真方法。利用该方法，可以得到焊接点的残余应力分布，此仿真结果可以作为振动消除残余应力仿真过程的输入，为进一步研究振动时效奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，特别是涉及一种基于有限元软件ANSYS直接热应力耦合仿真的石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，属于有限元仿真技术领域。
背景技术
加速度计是把运载体的加速度通过各种测量手段转化为电信号的传感器装置。自从第二次世界大战末期出现第一个加速度计至今，随着科学技术的发展，加速度计也在不断的发展和改进，曾先后出现过近百种不同类型的加速度计。其中石英挠性加速度计以体积小、响应快、灵敏度高等优点，在精确制导、航空航天等众多领域都得到了广泛应用。但是，石英挠性加速度计在使用过程中会发生参数漂移的现象，这对导航精度造成了很大的影响。
目前，针对石英挠性加速度计的研究，多集中于漂移误差建模及补偿技术研究方面，这些方法未进行参数漂移的机理分析，因而无法为加速度计的设计改进提供依据。研究表明，加速度计在使用过程中产生参数漂移的一个重要机理是存在焊接残余应力。这是因为加速度计的磁钢与预负载环是通过激光焊接装配的，而在焊接过程中，由于高度集中的瞬时热输入和随后的快速冷却，必会在焊接工件上产生相当大的焊接残余应力。研究焊接残余应力的方法有实验测试和有限元仿真方法，然而对于焊接残余应力的实验测试具有很大的局限性：采用无损方法，只能测到焊接结构表面的应力状态；即使采用破坏性方法，三维残余应力场也是难以精确核计的。近年来由于电子计算机的应用和计算方法的新进展，有限元仿真方法作为一个强有力的数值仿真工具，已被广泛用于工程领域。通过对国内外现有基于有限元仿真的技术文献检索发现，石英挠性加速度计的有限元仿真多集中于静态应力和模态计算，还没有关于石英挠性加速度计焊接残余应力的仿真。
发明内容
1、目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，它通过直接热应力耦合仿真，来模拟焊接过程，从而求解得到焊接后结构体的残余应力分布，一方面能够通过研究焊接后结构体的应力分布规律，来进一步研究焊接残余应力对于加速度计参数漂移的影响，以便为加速度计的设计改进提供依据，另一方面通过对比不同焊接工艺参数组合下的残余应力分布来选择最佳的焊接工艺。
2、技术方案：本发明是通过以下技术方案实现的，在选择有限元单元的基础上建立加速度计的非线性材料模型，然后结合加速度计的尺寸信息建立加速度计几何模型并进行网格划分，最后通过施加约束及载荷来实现直接热应力耦合仿真。
本发明一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，其具体步骤如下：
步骤一：结合焊接残余应力产生机理来选择有限元单元；激光焊接过程中，热流密度很高的激光束作用于面积很小的焊接部位，使材料局部熔化、汽化，造成被焊部位受热不均且局部产生塑性变形，冷却过程中的温度变化产生残余应力，因此选择热结构耦合单元，且需要同时满足以下条件：(1)三维六面体耦合单元；(2)具有温度自由度；(3)具有结构自由度；(4)能够进行瞬态动力学仿真；(5)能够产生塑性变形。
步骤二：建立材料模型库，主要包括：
a.定义单位制：由于ANSYS中数值没有单位，因此需要将各种材料属性的单位按照定义好的单位制统一；该定义单位制是指在国际单位制的基础上自定义单位制：毫米(mm)、克(g)、秒(s)、微安(μA)以及开尔文(K)，之后所有部件尺寸、材料属性以及载荷数值均通过此单位制换算得到；
b.输入各部件的材料属性：结合仿真类型输入仿真需要用到的各部件材料属性，仿真过程中的主要材料为石英、低膨胀合金、不锈钢合金；材料参数包括热仿真中需要的导热率和热膨胀系数，结构仿真中需要的密度、弹性模量、泊松比；另外，为了描述材料的塑性属性，选用双线性随动强化模型，需要输入最多五个温度点的材料的屈服极限和屈服后的弹性模量；
步骤三：建立加速度计结构模型，首先对加速度计的各结构部件进行相应的简化，只建立被焊接的软磁体、预负载环，忽略其他的部件；其次，根据结构的对称性，只建立软磁体、预负载环的二分之一模型，为了方便将整体划分为质量较高的六面体单元，将软磁体切分成几部分，分别进行建模；
步骤四：建立加速度计有限元模型，主要包括给各几何部件赋予材料属性以及利用扫略的方式生成网格，形成有限元模型。为了生成均匀的六面体单元，将构成结构的主要特征线划分成长度大致相同的等份，例如，对于圆柱体，特征线为上下圆面的外环线以及径向线。
步骤五：施加约束及载荷，主要包括：对称约束、零位移约束、热边界条件、预紧力、热流密度载荷。在结构对称面上施加法向对称约束；在焊接过程中，加速度计的固支部位施加各向零位移约束和预紧力。在所有与空气相接触的面上施加对流换热系数边界条件；在焊接部位施加热流密度载荷。
步骤六：进行直接热应力耦合仿真，选择仿真类型为瞬态仿真，保存数据文件并进行仿真计算。
步骤七：自然冷却，保留残余应力，保持模型不变，删除热流密度载荷，仿真自然冷却的过程，仍然进行直接热应力耦合瞬态仿真，求得在冷却过程中的温度变化和应力变化。
其中，步骤五中所述的“在焊接部位施加热流密度载荷”的具体实现的步骤如下：
1)定义热源中心的x、y、z坐标分别为a、b、c；定义焊接电压为Q，有效热半径为r，则热流密度为qmax＝3*Q/(π*r**2)；
2)通过*get命令读取预负载环外圆周面上单元编号的最小值nemin和最大值nemax；
3)循环变量为i，i值从nemin开始增大，步长为1，读取每个单元的中心坐标分别为xsy、ysy、zsy，则该单元中心点距离热源中心的距离为rr＝sqrt((xsy-a)**2+(ysy-b)**2+(zsy-c)**2)；
4)如果rr≤r，则对该单元施加热流密度；如果rr＞r，则对该单元不施加热流密度；
5)当i值增大至nemax，则结束循环。
3、优点及功效：本发明具有以下优点：
1)采用有限元参数化设计语言(APDL)。从单元设置、材料属性输入、几何模型建立、网格划分、约束及载荷的施加以及热结构耦合仿真均采用APDL语言实现。该方法不仅可以避免由繁琐的图形用户界面(GUI)操作产生的人为差错，还可以根据需要方便的修改结构、载荷等参数，以及在施加热流密度载荷时写入循环代码，可以极大的减少工作量。
2)能够通过仿真的结果研究不同的焊接工艺对于残余应力分布的影响规律，为选择最佳的焊接工艺参数组合提供依据。
3)在建立几何模型时，充分利用了模型的对称性，只建立了软磁体和预负载环的二分之一模型，并加上适当的对称约束，这样既减少了建模的工作量，又节省了计算机的计算时间。
附图说明
图1是本发明方法流程框图。
图2是加速度计结构组成示意图。
图3是本发明实施例的加速度计简化模型的结构示意图。
图4是本发明实施例的加速度计简化模型的有限元模型示意图。
图5是本发明实施例的加速度计简化模型中焊接中心点的温度随时间变化的曲线示意图。
图6是本发明实施例的加速度计简化模型中焊接中心点的应力随时间变化的曲线示意图。
图中符号说明如下：
1软磁体；2力矩器线圈；3挠性平桥；4支撑环；5摆片；6软磁体；7磁钢。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
以下实施例是按照如图1所示的流程进行实施的，主要包括设置单元类型、输入材料属性、建立几何模型、划分网格、施加约束及载荷以及瞬态直接热应力耦合仿真。加速度计结构组成如图2所示，它主要由软磁体(1)、软磁体(6)与摆组件组成，而摆组件由力矩器线圈(2)、挠性平桥(3)、支撑环(4)与摆片(5)构成，其中磁钢(7)在软磁体内部，与力矩器线圈(2)构成力矩器组件。
见图1，本发明一种石英挠性加速度计焊接过程仿真方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：选择有限元单元，根据焊接残余应力产生机理选择热结构耦合单元，且需要同时满足以下条件：(1)三维六面体耦合单元；；(2)具有温度自由度(3)具有结构自由度；(4)能够进行瞬态动力学仿真；(5)能够产生塑性变形。通过对ANSYS有限元单元库中的单元进行仿真发现SOLID5单元具有以下特性：三维六面体单元，能够进行直接热应力耦合仿真，能够进行瞬态动力学仿真，支持塑性变形。因此将选用SOLID5单元进行加速度计焊接部位的有限元建模与仿真。
步骤二：建立材料模型库，主要包括：
a.定义单位制：由于加速度计有限元仿真精度要求较高，所以在国际单位制的基础上自定义单位制：毫米(mm)、克(g)、秒(s)、微安(μA)以及开尔文(K)，之后所有部件尺寸、材料属性以及载荷数值均通过此单位制换算得到。
b.输入各部件的材料属性：结合仿真类型输入仿真需要用到的各部件材料属性，仿真过程中的主要材料为低膨胀合金；材料参数包括热仿真中需要的导热率和热膨胀系数，结构仿真中需要的密度、弹性模量、泊松比，如下列表1所示；另外，为了描述材料的塑性属性，选用双线性随动强化模型，需要输入最多五个温度点的材料的屈服极限和屈服后的弹性模量，如下列表2所示。
表1低膨胀合金的材料属性
表2低膨胀合金的塑形双线性随动强化材料参数
步骤三：建立加速度计几何模型，首先对加速度计的各结构部件进行相应的简化，只建立被焊接的软磁体、预负载环，忽略其他的部件；其次，根据结构的对称性，只建立软磁体、预负载环的二分之一模型，为了方便将整体划分为质量较高的六面体单元，将软磁体切分成几部分，分别进行建模。建立的加速度计简化模型如图3所示。
步骤四：建立加速度计有限元模型，主要包括给各几何部件赋予材料属性以及对几何模型划分网格，形成有限元模型。网格密度要兼顾计算量和计算精度的要求，由于加速度计要求精度较大，网格密度必须相应增大以提高计算精度。由于软磁体和预负载环的形状较为规则，所以采用扫略的方式生成较规则的六面体单元。为了生成均匀的六面体单元，将构成结构的主要特征线划分成长度大致相同的等份，例如，对于圆柱体，特征线为上下圆面的外环线以及径向线。最后的加速度计焊接有限元模型共有节点30901个，单元25464个。建立的石英挠性加速度计有限元模型如图4所示。
步骤五：施加约束及载荷，主要包括对称约束、零位移约束、热边界条件、预紧力、热流密度载荷。在对称面上施加Z向对称约束；在焊接过程中，加速度计的固支部位为软磁体外侧圆面中心部位，由于编号为69的节点十分接近该圆面中心，选择在该节点处施加各向零位移约束和预紧力120N，方向为Z轴负向。在所有与空气相接触的面上施加对流换热系数边界条件，该对流换热系数随着温度的变化而不同，如表3所示。
表3对流换热系数随温度的不同值
焊接点位于预负载环外圆周上，热源中心位于编号为10585的节点的位置，在热源的有效热半径内施加热流密度载荷。
在施加热流密度载荷的过程中需要采用APDL语言中的DO循环控制语句。DO循环式按用户指定的循环次数执行一系列命令，*DO命令和*ENDDO命令分别是循环控制语句的开始和结束命令，典型的DO循环的基本形式如下：
*DO ！循环语句开始
… ！循环执行的命令行
*ENDDO ！循环语句结束
在本专利申请中，施加热流密度载荷的具体实现的步骤如下：
1)定义热源中心的x、y、z坐标分别为a、b、c；定义焊接电压为Q，有效热半径为r，则热流密度为qmax＝3*Q/(π*r**2)；
2)通过*get命令读取预负载环外圆周面上单元编号的最小值nemin和最大值nemax；
3)循环变量为i，i值从nemin开始增大，步长为1，读取每个单元的中心坐标分别为xsy、ysy、zsy，则该单元中心点距离热源中心的距离为rr＝sqrt((xsy-a)**2+(ysy-b)**2+(zsy-c)**2)；
4)如果rr≤r，则对该单元施加热流密度；如果rr＞r，则对该单元不施加热流密度；
5)当i值增大至nemax，则结束循环。
步骤六：进行直接热应力耦合仿真，选择仿真类型为瞬态，打开瞬态效应选项，设定载荷为阶跃加载，设置载荷时间和载荷子步数，设置结果输出条件，保存数据文件并进行仿真计算，可求得在焊接加热过程中的温度变化和应力变化。
步骤七：自然冷却，保留残余应力，保持模型不变，删除热流密度载荷，仿真自然冷却的过程，仍然进行直接热应力耦合瞬态仿真，可求得在冷却过程中的温度变化和应力变化。通过后处理器可以得到热源中心点，即编号为10585的节点在整个加热和冷却过程中的温度随时间变化的曲线(如图5所示)以及应力随时间变化的曲线(如图6所示)。
本发明建立了基于石英挠性加速度计有限元模型的瞬态直接热应力耦合仿真方法。利用该方法，可以得到焊接点的残余应力分布，此仿真结果可以作为振动消除残余应力仿真过程的输入，为进一步研究振动时效奠定了基础。
本发明中引用字母的物理意义如下表说明：
| a | 热源中心x坐标值 |
| b | 热源中心y坐标值 |
| c | 热源中心z坐标值 |
| Q | 焊接电压值 |
| r | 焊点的有效热半径 |
| qmax | 热流密度 |
| nemin | 预负载环外圆周面上单元编号的最小值 |
| nemax | 预负载环外圆周面上单元编号的最大值 |
| xsy | 所读取单元的中心的x坐标值 |
| ysy | 所读取单元的中心的y坐标值 |
| zsy | 所读取单元的中心的z坐标值 |
| rr | 所读取单元的中心到热源中心的距离 |
Claims (2)
1.一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一：结合焊接残余应力产生机理来选择有限元单元；激光焊接过程中，热流密度很高的激光束作用于面积很小的焊接部位，使材料局部熔化、汽化，造成被焊部位受热不均且局部产生塑性变形，冷却过程中的温度变化产生残余应力，因此选择热结构耦合单元，且需要同时满足以下条件：（1）三维六面体耦合单元；（2）具有温度自由度；（3）具有结构自由度；（4）能够进行瞬态动力学仿真；（5）能够产生塑性变形；
步骤二：建立材料模型库；包括：
a.定义单位制：由于ANSYS中数值没有单位，因此需要将各种材料属性的单位按照定义好的单位制统一；该定义单位制是指在国际单位制的基础上自定义单位制：毫米mm、克g、秒s、微安μA以及开尔文K，之后所有部件尺寸、材料属性以及载荷数值均通过此单位制换算得到；
b.输入各部件的材料属性：结合仿真类型输入仿真需要用到的各部件材料属性，仿真过程中的材料为石英、低膨胀合金、不锈钢合金；材料参数包括热仿真中需要的导热率和热膨胀系数，结构仿真中需要的密度、弹性模量、泊松比；另外，为了描述材料的塑性属性，选用双线性随动强化模型，需要输入五个温度点的材料的屈服极限和屈服后的弹性模量；
步骤三：建立加速度计结构模型；首先对加速度计的各结构部件进行相应的简化，只建立被焊接的软磁体、预负载环，忽略其他的部件；其次，根据结构的对称性，只建立软磁体、预负载环的二分之一模型，为了方便将整体划分为均匀的六面体单元，将软磁体切分成几部分，分别进行建模；
步骤四：建立加速度计有限元模型；包括给各几何部件赋予材料属性以及利用扫略的方式生成网格，形成有限元模型；为了生成均匀的六面体单元，将构成结构的主要特征线划分成长度相同的等份；
步骤五：施加约束及载荷；包括：对称约束、零位移约束、热边界条件、预紧力、热流密度载荷；在结构对称面上施加法向对称约束；在焊接过程中，加速度计的固支部位施加各向零位移约束和预紧力；在所有与空气相接触的面上施加对流换热系数边界条件；在焊接部位施加热流密度载荷；
步骤六：进行直接热应力耦合仿真；选择仿真类型为瞬态仿真，保存数据文件并进行仿真计算；
步骤七：自然冷却，保留残余应力，保持模型不变，删除热流密度载荷，仿真自然冷却的过程，仍然进行直接热应力耦合瞬态仿真，求得在冷却过程中的温度变化和应力变化。
2.根据权利要求1所述的一种石英挠性加速度计焊接残余应力仿真方法，其特征在于：步骤五中所述的“在焊接部位施加热流密度载荷”的具体实现的过程如下：
1）定义热源中心的x、y、z坐标分别为a、b、c；定义焊接电压为Q，有效热半径为r，则热流密度为qmax=3*Q/(π*r2)；
2）通过*get命令读取预负载环外圆周面上单元编号的最小值nemin和最大值nemax；
3）循环变量为i，i值从nemin开始增大，步长为1，读取每个单元的中心坐标分别为xsy、ysy、zsy，则该单元中心点距离热源中心的距离为rr=sqrt((xsy-a)2+(ysy-b)2+(zsy-c)2)；
4）如果rr≤r，则对该单元施加热流密度；如果rr＞r，则对该单元不施加热流密度；
5）当i值增大至nemax，则结束循环。
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