CN103440355B - Invar钢板多层多道焊接的变形模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Invar钢板多层多道焊接变形模拟方法，其包括建立Invar钢板温度场与应力场三维模型，通过改变现实可行的装卡条件、焊接顺序和坡口形状，基于非线性有限元分析软件求解不同条件下径向变形结果，得到控制焊接变形的优化方法。本发明提供的Invar钢板多层多道焊接变形模拟方法针对Invar钢板多层多道焊接过程，建立了Invar钢板温度场与应力场三维模型，同时考虑交叉焊缝间相互作用问题，通过对所设定的不同边界条件进行求解，获得控制焊接变形的优化方法。

Description

Invar钢板多层多道焊接的变形模拟方法

技术领域

本发明涉及一种Invar钢板多层多道焊接变形模拟方法，尤其针对大型Invar钢曲面厚板焊接产生的径向变形。

背景技术

Invar钢属于低膨胀合金类别的精密合金，它应用数量大，并且产品价值也较高。它在电子行业中应用非常广泛，电子管、晶体管集成电路以及电容等都需要用到它，近年来，Invar钢凭借它热膨胀系数与复合材料相近这一特点，有了新的应用发展，它大量应用于复合材料模具的制造，解决了普通钢材料制造复合材料模具时出现的诸多问题，例如：成型后的复合材料尺寸与理论值不同、存在残余应力和变形等。

Invar钢模具制造过程中多采用焊接的方法完成，由于模具尺寸较大，导致焊后残余变形相对较大，并且采用物理试验或者是依靠经验的方法来控制Invar钢焊接变形，试验周期长，成本高，严重的影响到构件投入生产使用的时间。

发明内容

本发明的目的是针对大型曲面Invar钢板模具多层多道焊接变形难以控制的困难，重点考虑不同的边界条件及交叉焊缝间的相互作用，为Invar钢模具多层多道焊接变形提供一种简便有效的计算方法。

根据本发明的一个方面，所采用的技术方案如下：

一种Invar钢板多层多道焊接的变形模拟方法，其特征在于：所述变形模拟方法包括如下步骤：

在计算机辅助设计软件中根据Invar钢板形状建立温度场与应力场三维几何模型，并对所述温度场与应力场三维几何模型进行网格划分；根据所述温度场与应力场三维几何模型建立固体导热微分方程：式中，T为瞬态温度；t为过程进行时间；k为所述Invar钢板的导热系数；ρ为所述Invar钢板的密度；c_p为所述Invar钢板的定压比热；q_v为所述Invar钢板的内热源强度；x，y，z分别为坐标系中的三向坐标，并建立热-弹塑性控制方程：dσ＝[D_ep]dε＝([D_e]-[D_p])dε，式中，[D_e]为弹性矩阵，[D_p]为塑性矩阵，[D_ep]为弹塑性矩阵。基于非线性有限元分析软件求解所述固体导热微分方程和所述热-弹塑性控制方程以计算得到焊接过程中温度场、应力场分布及焊接残余径向变形。

具体地，在求解所述固体导热微分方程和所述热-弹塑性控制方程步骤中，将所述温度场与应力场三维几何模型导入所述非线性有限元分析软件中，并设定边界条件。

具体地，所述边界条件至少包括装卡条件和焊接顺序。

具体地，在求解所述固体导热微分方程和所述热-弹塑性控制方程过程中，对多道焊缝焊接结构的模拟采用生死单元法进行分析。

具体地，以生死单元法进行分析时，每进行一道焊道将杀死的单元激活。

具体地，在求解所述固体导热微分方程和所述热-弹塑性控制方程过程中以牛顿-拉夫逊算法进行平衡迭代。

具体地，在求解所述固体导热微分方程和所述热-弹塑性控制方程过程中采用自适应下降和自动时间步长功能以加快计算。

具体地，所述计算机辅助设计软件为CAD软件。

具体地，所述网格划分是指焊缝及靠近焊缝的区域采用密集划分，并使网格尺寸随着与焊缝距离加大不断变大。

根据本发明的另一个更具体的目的，所述的一种Invar钢板多层多道焊接变形模拟方法，包括如下步骤：

第一步：建立Invar钢板不同坡口形式的温度场与应力场三维模型；具体地，在诸如CAD软件的计算机辅助设计软件中建立构件不同的坡口形式的三维几何模型，对构件不同区域进行针对性的网格划分；所谓“针对性的网格划分”是指焊缝区域及靠近焊缝的区域采用密集划分，采用过渡方法，使网格尺寸随着与焊缝距离加大不断变大；

第二步：针对第一步建立的温度场与应力场三维模型建立固体导热微分方程和热-弹塑性控制方程；具体地，建立具有内热源和瞬态温度场的固体导热微分方程：式中，T为物体的瞬态温度；t为过程进行的时间；k为Invar钢板的导热系数；ρ为Invar钢板的密度；c_p为Invar钢板的定压比热；q_v为Invar钢板的内热源强度；x，y，z分别为坐标系中的三向坐标；建立热-弹塑性控制方程：dσ＝[D_ep]dε＝([D_e]-[D_p])dε式中，[D_e]为弹性矩阵，[D_p]为塑性矩阵，[D_ep]为弹塑性矩阵；

第三步：基于非线性有限元分析软件求解固体导热微分方程和热-弹塑性控制方程，进行焊接过程计算得到焊接过程中温度场、应力场分布及焊接残余径向变形；具体地，将建立的Invar钢板的温度场与应力场三维模型导入非线性有限元分析软件，设定不同的边界条件，其中，所谓“不同的边界条件”至少包括：装卡条件、焊接顺序，并通过调整打底焊位置和每一条焊缝的多层多道焊接次序改变交叉焊缝间的相互作用。

在第三步中，由于焊缝区域受到高温熔化，降温凝固，故不能用常规的方法来模拟焊接过程，模拟焊接过程时，采用生死单元技术，对多道焊缝焊接结构的残余应力进行模拟。每进行一次焊道，将杀死的单元激活。采用生死单元法进行分析时，应考虑大变形，求解过程采用牛顿-拉夫逊算法(Full Newton-Raphson)进行平衡迭代，并采用自适应下降和自动时间步长功能以加快计算，得到焊接过程中温度场、应力场分布及焊接残余径向变形。

本发明的技术方案的有益效果如下：

本发明提供的Invar钢板多层多道焊接变形模拟方法针对Invar钢板多层多道焊接过程，建立了不同坡口形式的温度场与应力场三维模型，同时考虑不同的边界条件及交叉焊缝间的相互作用，通过对三维模型求解得到不同边界条件下的变形情况，获得变形优化方法。

通过非线性有限元模拟计算焊接变形，优化焊接方案能够大大节约成本与时间，对大型Invar钢模具生产具有重大的参考与指导意义。

附图说明

为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中：

图1为Invar钢板多层多道焊接变形模拟方法的流程图；

图2为Invar钢板温度场与应力场三维模型网格划分整体示意图；

图3a为Invar钢板X型坡口温度场与应力场三维模型网格划分示意图；

图3b为Invar钢板Y型坡口温度场与应力场三维模型网格划分示意图；

图3c为Invar钢板U型坡口温度场与应力场三维模型网格划分示意图；

图4a为Invar钢板轴向先焊的焊接顺序示意图；

图4b为Invar钢板周向先焊的焊接顺序示意图；

图5为Invar钢多层多道焊接过程中温度场分布示意图；

图6为根据温度场与应力场三维模型计算的残余等效应力分布示意图；

图7为根据温度场与应力场三维模型计算的径向变形分布示意图。

不同图中的相似特征由相似的附图标记指示。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明进一步详细说明。

参见图1，一种Invar钢板多层多道焊接变形模拟方法，包括如下步骤：

第一步S1：建立Invar钢板不同坡口形式的温度场与应力场三维模型：

具体地，在诸如CAD软件的计算机辅助设计软件中建立构件不同的坡口形式的三维几何模型，对构件不同区域进行针对性的网格划分；所谓“针对性的网格划分”是指焊缝区域及靠近焊缝的区域采用密集划分，采用过渡方法，使网格尺寸随着与焊缝距离加大不断变大。

第二步S2：针对第一步建立的温度场与应力场三维模型建立固体导热微分和热-弹塑性控制方程：

具体地，建立具有内热源和瞬态温度场的固体导热微分方程：

$\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{k}{{\mathrm{\ρc}}_p}(\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂z^2}+\frac{q_v}{k})$

在上式中，T为物体的瞬态温度；t为过程进行的时间；k为Invar钢板的导热系数；ρ为Invar钢板的密度；c_p为Invar钢板的定压比热；q_v为Invar钢板的内热源强度；x，y，z分别为坐标系中的三向坐标。

建立热-弹塑性控制方程：

dσ＝[D_ep]dε＝([D_e]-[D_p])dε

在上式中，[D_e]为弹性矩阵，[D_p]为塑性矩阵，[D_ep]为弹塑性矩阵，σ为应力矢量，ε为应变矢量，dσ为应力增量，dε为应变增量。

第三步S3：基于非线性有限元分析软件求解固体导热微分和热-弹塑性控制方程，进行焊接过程计算以得到焊接过程中温度场、应力场分布及焊接残余径向变形。

具体地，在第三步中，将建立的Invar钢板温度场与应力场三维模型导入非线性有限元分析软件，设定不同的边界条件，所谓“不同的边界条件”至少包括：装卡条件和焊接顺序，通过调整打底焊位置和每一条焊缝的多层多道焊接次序改变交叉焊缝间的相互作用。焊缝区域受到高温熔化，降温凝固，因此不能用常规的方法来模拟焊接过程，模拟焊接过程时，采用生死单元技术，对多道焊缝焊接结构的残余应力进行模拟。每进行一道焊道，将杀死的单元激活。采用生死单元法进行分析时，应考虑大变形，求解过程采用牛顿-拉夫逊算法(Full Newton-Raphson)进行平衡迭代，并采用自适应下降和自动时间步长功能以加快计算，得到焊接过程中温度场、应力场分布及焊接残余径向变形。

下面，参见图2-图7，以25mm厚Invar钢板多层多道接焊过程中径向变形计算为例分析。

参见图2和图3a-图3c，基于CAD软件建立25mm厚曲面Invar钢板三维几何模型，并基于Hypermesh软件对其划分网格，模型长4500mm，外弧长为3500mm，外弧所在圆半径为7000mm。根据实际情况，采用非熔化极气体保护填丝焊，在焊道坡口处设置填充金属。网格划分一律采用六面体单元，对构件不同区域进行针对性的网格划分；此处的针对性的网格划分是指焊缝区域及靠近焊缝的区域采用密集划分，采用过渡方法，使网格尺寸随着与焊缝距离加大不断变大。共有99880个单元，126209个节点。

计算所需用到的Invar钢板材料的力学性能参数、热物理参数，可以通过实验测量与线性插值法获得。

焊接所用热源的有效功率为3kW，焊接速度为4mm/s。

表面的热边界条件为热对流和热辐射，将热对流和热辐射系数转化为总的换热系数。

装卡条件分为沿焊缝全长度方向夹紧与分块局部夹紧两种。

如图4a、图4b所示，焊接顺序可以为如图4a所示的轴向先焊，即，依照1-2-3-4-5-6-7的顺序，或者如图4b所示的周向先焊，即，依照1-2-3-4-5-6-7的顺序。

基于非线性有限元分析软件，对Invar钢板不同坡口形式的温度场与应力场三维模型进行求解。

根据控制方程的耦合求解结果得到焊接过程中的温度场(如图5所示)、应力场(如图6所示)和径向变形(如图7所示)分布。

对于本发明，除了考虑装卡条件、坡口形式与焊接顺序之外，通过调整打底焊位置和每一条焊缝的多层多道焊接次序改变交叉焊缝间的相互作用，可以利用反变形法抵消径向变形的产生。

本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的示例性实施方式。示出以及描述的实施方式(的部分)的所有组合明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (9)

1.一种Invar钢板多层多道焊接的变形模拟方法，其特征在于：所述变形模拟方法包括如下步骤：

在计算机辅助设计软件中根据Invar钢板形状建立温度场与应力场三维几何模型，并对所述温度场与应力场三维几何模型进行网格划分；

根据所述温度场与应力场三维几何模型建立固体导热微分方程：

式中，T为瞬态温度；t为过程进行时间；k为所述Invar钢板的导热系数；ρ为所述Invar钢板的密度；c_p为所述Invar钢板的定压比热；q_v为所述Invar钢板的内热源强度；x，y，z分别为坐标系中的三向坐标，并建立热-弹塑性控制方程：

dσ＝[D_ep]dε＝([D_e]-[D_p])dε，式中，[D_e]为弹性矩阵，[D_p]为塑性矩阵，[D_ep]为弹塑性矩阵，σ为应力矢量，ε为应变矢量，基于非线性有限元分析软件求解所述固体导热微分方程和所述热-弹塑性控制方程以计算得到焊接过程中温度场、应力场分布及焊接残余径向变形。

2.根据权利要求1所述的变形模拟方法，其特征在于，在求解所述固体导热微分方程和所述热-弹塑性控制方程步骤中，将所述温度场与应力场三维几何模型导入所述非线性有限元分析软件中，并设定边界条件。

3.根据权利要求2所述的变形模拟方法，其特征在于，所述边界条件至少包括装卡条件和焊接顺序。

4.根据权利要求2所述的模拟方法，其特征在于，在求解所述固体导热微分方程和所述热-弹塑性控制方程过程中，对多道焊缝焊接结构的模拟采用生死单元法进行分析。

5.根据权利要求4所述的变形模拟方法，其特征在于，以生死单元法进行分析时，每进行一道焊道将杀死的单元激活。

6.根据权利要求2所述的变形模拟方法，其特征在于，在求解所述固体导热微分方程和所述热-弹塑性控制方程过程中以牛顿-拉夫逊算法进行平衡迭代。

7.根据权利要求6所述的变形模拟方法，其特征在于，在求解所述固体导热微分方程和所述热-弹塑性控制方程过程中采用自适应下降和自动时间步长功能以加快计算。

8.根据权利要求1所述的变形模拟方法，其特征在于，所述计算机辅助设计软件为CAD软件。

9.根据权利要求1所述的变形模拟方法，其特征在于，所述网格划分是指焊缝及靠近焊缝的区域采用密集划分，并使网格尺寸随着与焊缝距离加大不断变大。