CN107239591A - 一种核电大型结构焊接变形预测分析方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种核电大型结构焊接变形预测分析方法，从典型接头固有变形数据库中获取典型焊接接头的试验变形值；采用热弹塑性有限元模拟计算典型焊接接头的模拟变形值；判断模拟变形值和试验变形值是否一致；若一致，提取典型接头的固有变形值存入数据库中；若不一致，调整热弹塑性模型重新计算，直至模拟变形值和试验变形值一致，最终将获得的准确的固有变形值存入数据库中；预测大型结构焊接变形时，从典型接头固有变形数据库中检索相应的接头固有变形值并转换为固有应变值施加在焊缝区域，通过弹性计算就能快速获得变形。本发明大大减少了分析计算的时间，而且能够有效的保证预测结果的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种分析方法及其系统，特别是一种核电大型结构焊接变形预测分析方法及其系统。
背景技术
在核电核级设备和钢结构等大型结构件制作安装过程中，采用了较多的焊接连接方式，由于焊接高度集中的瞬时热输入，不均匀的加热和冷却使得焊缝及其附近区域产生非均匀的膨胀和收缩，引起焊缝及其附近区域的塑性变形，随之在焊接结构中产生焊接变形。焊接变形的产生不仅影响核电核级设备和钢结构的制作安装，而且影响其使用性能及服役周期。因此，焊接变形控制在核电核级设备和钢结构制作安装中至关重要，而准确的焊接变形预测是焊接变形控制的前提。
核电核级设备和钢结构等大型结构件因其具有结构尺寸大、焊缝密集、拘束复杂等特点，在焊接完毕后，整体焊接变形复杂，预测分析难度大。在以往施工中，核电大型结构的焊接变形预测主要依据施工经验及有限的试验数据，预测结果与实际变形存在较大的误差。随着计算机技术和数值计算方法的发展，热弹塑性有限元数值模拟技术成为焊接变形准确预测的重要技术途径，采用热弹塑性有限元数值模拟方法可以准确、全面地反映焊接过程，对焊接变形的分析研究具有重要意义。但对于核电大型结构而言，采用热弹塑性有限元数值模拟对其变形进行数值分析计算，需要的计算机容量大、分析计算所需要的周期长和计算成本高。使其难以在大型结构施工中进行有效应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种核电大型结构焊接变形预测分析方法及其系统，大大减少了分析计算的时间，而且能够有效的保证预测结果的准确性。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种核电大型结构焊接变形预测分析方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：从典型接头固有变形数据库中获取典型焊接接头的试验变形值；
步骤二：采用热弹塑性有限元模拟计算典型焊接接头的模拟变形值；
步骤三：判断模拟变形值和试验变形值是否一致；
若一致，从计算结果中提取典型接头的固有变形值存入典型接头固有变形数据库中；
若不一致，调整热弹塑性模型重新计算并重复步骤三，循环执行步骤三直至模拟变形值和试验变形值一致，最终将获得的准确的固有变形值存入典型接头固有变形数据库中；
步骤四：预测大型结构焊接变形时，从典型接头固有变形数据库中检索相应的接头固有变形值并转换为固有应变值施加在焊缝区域，通过弹性计算就能快速获得变形。
进一步地，所述固有变形值包括横向收缩、纵向收缩力和角变形。
进一步地，所述纵向收缩力TF，横向收缩TS和角变形AD的计算公式为，
TS＝a+blnx(a＝5.38,b＝-0.91)
AD＝a+bx+cx2(a＝0.073,b＝-0.00034,c＝6.54e-7)
其中，x为热输入与板厚平方的比值，即Qtotal/h2。
进一步地，所述热弹塑性有限元模拟计算的方法为，通过匹配模拟计算的焊接接头的温度场与实验获取的温度场确定热源模型，设定焊缝区的材料模型和边界条件，采用生死单元模拟焊缝区生长方式，通过细化焊缝区网格反应焊缝区温度梯度和应力变化梯度确定有限元模型。
进一步地，所述步骤四中，快速获得变形具体为，
5.1导入固有变形值进入变形数据库；
5.2根据焊接结构建立三维模型；
5.3将三维模型进行壳单元网格划分；
5.4将划分好网格的三维模型根据材料数据、焊缝数据进行一次弹性有限元计算。
一种核电大型结构焊接变形预测分析系统，其特征在于：包含
获取模块，用于获取典型焊接接头的试验变形值；
计算模块，与获取模块连接，用于采用热弹塑性有限元模拟计算典型焊接接头的模拟变形值；
判断模块，与计算模块连接，用于判断模拟变形值和试验变形值是否一致；
调用模块，与判断模块连接，用于获取判断模块结果，若一致，则从计算结果中提取固有变形值将固有变形值转化为固有应变值，存入典型接头固有应变数据库中以便调用固有应变数据库匹配预测结果；否则，调整计算模型和参数重新计算直到模拟的变形值和试验变形值基本一致，以最终获得准确的典型固有变形值；从固有变形库中检索对应接头的固有变形值并转换为固有应变值施加在大型结构焊缝区域，经一次弹性计算获得大型结构焊接变形。
进一步地，所述获取模块包含
采集单元，用于采用K型热电偶及电感式位移器采集焊接温度场及动态变形数据；
应变值计算单元，用于根据固有应变的计算方法将采集到的数据计算出试验固有应变值。
进一步地，所述计算模块包含，
匹配热源模型单元，用于匹配模拟计算的焊接接头的温度场与实验获取的温度场确定热源模型；
设定单元，用于设定焊缝区的材料模型和边界条件；
模拟单元，用于采用生死单元模拟焊缝区生长方式；
有限元确定单元，用于通过细化焊缝区网格反应焊缝区温度梯度和应力变化梯度确定有限元模型。
进一步地，所述调用模块包含，
导入单元，用于导入固有变形值进入典型接头固有变形数据库；
建模单元，用于根据焊接结构建立三维模型；
网格划分单元，用于将三维模型进行壳单元网格划分；
计算单元，用于将划分好网格的三维模型根据材料数据、焊缝数据进行一次弹性有限元计算。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明基于固有应变理论，确定了典型焊接接头固有变形计算方法，根据计算方法模拟变形值，并与实际获取的变形值进行匹配比较，最终获得典型接头的固有变形值和数据库。大型结构焊接变形预测时，从数据库中检索出相应接头的固有变形值并转换为固有应变值加载在焊缝周围，通过一次弹性计算就能简单高效预测大型结构件焊接变形。这样将复杂的热弹塑性焊接变形分析转化为相对简单的一次弹性板、壳单元有限元分析，不仅大大减少了分析计算的时间，而且能够有效的保证预测结果的准确性。
附图说明
图1是本发明的一种核电大型结构焊接变形预测分析方法的流程图。
图2是本发明的一种核电大型结构焊接变形预测分析系统的模块图。
图3是本发明的实施例的典型焊接结构表。
图4是本发明的实施例的不锈钢水池固有变形数据表。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明的一种核电大型结构焊接变形预测分析方法，包含以下步骤：
步骤一：从典型接头固有变形数据库中获取典型焊接接头的试验变形值；
步骤二：采用热弹塑性有限元模拟计算典型焊接接头的模拟变形值；
步骤三：判断模拟变形值和试验变形值是否一致；
若一致，从计算结果中提取典型接头的固有变形值存入典型接头固有变形数据库中；
若不一致，调整热弹塑性模型重新计算并重复步骤三，循环执行步骤三直至模拟变形值和试验变形值一致，最终将获得的准确的固有变形值存入典型接头固有变形数据库中；
步骤四：预测大型结构焊接变形时，从典型接头固有变形数据库中检索相应的接头固有变形值并转换为固有应变值施加在焊缝区域，通过弹性计算就能快速获得变形。
固有变形值包括横向收缩、纵向收缩力和角变形,。纵向收缩力 TF，横向收缩TS和角变形AD的计算公式为，
TS＝a+blnx(a＝5.38,b＝-0.91)
AD＝a+bx+cx2(a＝0.073,b＝-0.00034,c＝6.54e-7)
其中，x为热输入与板厚平方的比值，即Qtotal/h2。
采用K型热电偶及电感式位移器采集焊接温度场及动态变形数据。根据固有应变的计算方法获得准确的接头固有变形；并采用大型非线性有限元分析软件ABAQUS，建立典型焊接接头的弹性有限元分析模型，通过在焊缝及其附近区域施加固有应变来计算其焊接变形值。
热弹塑性有限元模拟计算的方法为，通过匹配模拟计算的焊接接头的温度场与实验获取的温度场确定热源模型，设定焊缝区的材料模型和边界条件，采用生死单元模拟焊缝区生长方式，通过细化焊缝区网格反应焊缝区温度梯度和应力变化梯度确定有限元模型。
快速获得变形具体为，
5.1导入固有变形值进入变形数据库；
5.2根据焊接结构建立三维模型；
5.3将三维模型进行壳单元网格划分；
5.4将划分好网格的三维模型根据材料数据、焊缝数据进行一次弹性有限元计算。
如图2所示，一种核电大型结构焊接变形预测分析系统，包含
获取模块21，用于获取典型焊接接头的试验变形值；
计算模块22，与获取模块连接，用于采用热弹塑性有限元模拟计算典型焊接接头的模拟固有变形值；
判断模块，与计算模块连接，用于判断模拟固有变形值和试验固有变形值是否一致；
调用模块，与判断模块连接，用于获取判断模块结果，若一致，则从计算结果中提取固有变形值将固有变形值转化为固有应变值，存入典型接头固有应变数据库中以便调用固有应变数据库匹配预测结果；否则，调整计算模型和参数重新计算直到模拟的变形值和试验变形值基本一致，以最终获得准确的典型固有变形值；从固有变形库中检索对应接头的固有变形值并转换为固有应变值施加在大型结构焊缝区域，经一次弹性计算获得大型结构焊接变形。
获取模块21包含
采集单元211，用于采用K型热电偶及电感式位移器采集焊接温度场及动态变形数据；
应变值计算单元212，用于根据固有应变的计算方法将采集到的数据计算出试验固有应变值。
计算模块22包含，
匹配热源模型单元221，用于匹配模拟计算的焊接接头的温度场与实验获取的温度场确定热源模型；
设定单元222，用于设定焊缝区的材料模型和边界条件；
模拟单元223，用于采用生死单元模拟焊缝区生长方式；
有限元确定单元224，用于通过细化焊缝区网格反应焊缝区温度梯度和应力变化梯度确定有限元模型。
调用模块24包含，
导入单元241，用于导入固有变形值进入典型接头固有变形数据库；
建模单元242，用于根据焊接结构建立三维模型；
网格划分单元243，用于将三维模型进行壳单元网格划分；
计算单元244，用于将划分好网格的三维模型根据材料数据、焊缝数据进行一次弹性有限元计算。
为了更加清楚的描述上述方法及系统，以下通过具体实施例说明：
1、典型焊接接头焊接温度场及动态变形数据获取
梳理不锈钢水池焊接接头形式，针对其结构特点，选取焊接接头进行典型焊接试验，如图3的表1所示。
典型接头焊接过程中采用两台计算机分别采集焊接温度场和动态变形数据，获得温度及变形随时间变化的曲线。在温度测量过程中采用镍铬-镍硅(K型)热电偶；变形测量选用电感式位移传感器。采集到的信号通过采集卡整理和转换后，输入到计算机进行数据处理。一方面，将采集数据结果保存在数据结果文件中；另一方面，通过人机交互界面在电脑屏幕上实时显示变形和温度随时间的变化过程。
2、确定热弹塑性有限元计算方法的材料本构模型
选用带状温度热源作为本项目典型焊接接头计算的热源模型。
选取合适的ET/E的值，并确定随温度变化的材料性能。增加材料熔点温度以上的热传导率、熔化温度以上的材料比热和合适的恒定的复合散热系数值。
采用生死单元技术实现多道焊接焊缝金属的生长。首先建立完整的包含未填充焊缝材料的模型，将代表未生成焊缝的单元设为“死单元”状态，代表当前焊道的单元在计算时要从“死单元”激活为“活单元”。
采用有限元软件ANSYS进行建模，为了反映焊缝区域的温度梯度和应力变化梯度，焊缝区域的网格细化(焊缝区域的最小单元尺寸为 1mm×1mm×5mm)，而远离焊缝区域的网格稀疏。
根据获得的固有应变的计算方法，通过商业有限元软件ABAQUS 对典型接头进行验证计算。选取3个典型焊接接头，建立相应的弹性模型，并且通过施加固有应变来计算其变形，最终同热弹塑性模型的变形结果进行比较。
3、建立不锈钢水池固有变形数据库
对不锈钢水池焊接接头进行整理，并根据确定的固有应变计算方法对梳理出的所有水池焊接接头进行固有变形计算，建立不锈钢水池固有变形数据库如图4的表2所示。
4、不锈钢水池焊接变形预测
依据水池结构形式，采用SolidWorks软件建立水池模型。
将在SolidWorks软件中建立的模型导入Hypermesh软件进行壳单元网格划分。
导入Hypermesh里建好的前处理有限元模型。
添加材料属性和焊缝。
进行一次弹性有限元计算。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种核电大型结构焊接变形预测分析方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤一：从典型接头固有变形数据库中获取典型焊接接头的试验变形值；
步骤二：采用热弹塑性有限元模拟计算典型焊接接头的模拟变形值；
步骤三：判断模拟变形值和试验变形值是否一致；
若一致，从计算结果中提取典型接头的固有变形值存入典型接头固有变形数据库中；
若不一致，调整热弹塑性模型重新计算并重复步骤三，循环执行步骤三直至模拟变形值和试验变形值一致，最终将获得的准确的固有变形值存入典型接头固有变形数据库中；
步骤四：预测大型结构焊接变形时，从典型接头固有变形数据库中检索相应的接头固有变形值并转换为固有应变值施加在焊缝区域，通过弹性计算就能快速获得变形。
2.按照权利要求1所述的一种核电大型结构焊接变形预测分析方法，其特征在于：所述固有变形值包括横向收缩、纵向收缩力和角变形。
3.按照权利要求2所述的一种核电大型结构焊接变形预测分析方法，其特征在于：所述纵向收缩力TF，横向收缩TS和角变形AD的计算公式为，
<mrow>
<mi>T</mi>
<mi>F</mi>
<mo>=</mo>
<mi>a</mi>
<mo>+</mo>
<mi>b</mi>
<mi>x</mi>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mi>c</mi>
<msup>
<mi>x</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
</mfrac>
<mo>,</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mi>a</mi>
<mo>=</mo>
<mn>148.90</mn>
<mo>,</mo>
<mi>b</mi>
<mo>=</mo>
<mn>0.0466</mn>
<mo>,</mo>
<mi>c</mi>
<mo>=</mo>
<mn>32009</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
TS＝a+blnx(a＝5.38,b＝-0.91)
AD＝a+bx+cx2(a＝0.073,b＝-0.00034,c＝6.54e-7)
其中，x为热输入与板厚平方的比值，即Qtotal/h2。
4.按照权利要求1所述的一种核电大型结构焊接变形预测分析方法，其特征在于：所述热弹塑性有限元模拟计算的方法为，通过匹配模拟计算的焊接接头的温度场与实验获取的温度场确定热源模型，设定焊缝区的材料模型和边界条件，采用生死单元模拟焊缝区生长方式，通过细化焊缝区网格反应焊缝区温度梯度和应力变化梯度确定有限元模型。
5.按照权利要求1所述的一种核电大型结构焊接变形预测分析方法，其特征在于：所述步骤四中，快速获得变形具体为，
5.1导入固有变形值进入变形数据库；
5.2根据焊接结构建立三维模型；
5.3将三维模型进行壳单位网格划分；
5.4将划分好网格的三维模型根据材料数据、焊缝数据进行一次弹性有限元计算。
6.一种核电大型结构焊接变形预测分析系统，其特征在于：包含
获取模块，用于获取典型焊接接头的试验变形值；
计算模块，与获取模块连接，用于采用热弹塑性有限元模拟计算典型焊接接头的模拟变形值；
判断模块，与计算模块连接，用于判断模拟变形值和试验变形值是否一致；
调用模块，与判断模块连接，用于获取判断模块结果，若一致，则从计算结果中提取固有变形值将固有变形值转化为固有应变值，存入典型接头固有应变数据库中以便调用固有应变数据库匹配预测结果；否则，调整计算模型和参数重新计算直到模拟的变形值和试验变形值基本一致，以最终获得准确的典型固有变形值；从固有变形库中检索对应接头的固有变形值并转换为固有应变值施加在大型结构焊缝区域，经一次弹性计算获得大型结构焊接变形。
7.按照权利要求6所述的一种核电大型结构焊接变形预测分析系统，其特征在于：所述获取模块包含
采集单元，用于采用K型热电偶及电感式位移器采集焊接温度场及动态变形数据；
应变值计算单元，用于根据固有应变的计算方法将采集到的数据计算出试验固有应变值。
8.按照权利要求6所述的一种核电大型结构焊接变形预测分析系统，其特征在于：所述计算模块包含，
匹配热源模型单元，用于匹配模拟计算的焊接接头的温度场与实验获取的温度场确定热源模型；
设定单元，用于设定焊缝区的材料模型和边界条件；
模拟单元，用于采用生死单元模拟焊缝区生长方式；
有限元确定单元，用于通过细化焊缝区网格反应焊缝区温度梯度和应力变化梯度确定有限元模型。
9.按照权利要求6所述的一种核电大型结构焊接变形预测分析系统，其特征在于：所述调用模块包含，
导入单元，用于导入固有变形值进入典型接头固有变形数据库；
建模单元，用于根据焊接结构建立三维模型；
网格划分单元，用于将三维模型进行壳单元网格划分；
计算单元，用于将划分好网格的三维模型根据材料数据、焊缝数据进行一次弹性有限元计算。
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