CN107871029B - 预测时效强化铝合金tig焊接头断裂过程的有限元模拟方法 - Google Patents

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Abstract

一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法,包括以下步骤：S1建立接头拉伸力学行为分析的材料本构模型S2建立接头拉伸力学行为分析的物理模型，具体步骤如下：S3根据S1中材料本构模型和S2物理模型，构建接头力学行为分析的有限元模型，分析接头的力学行为。

Description

预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法
技术领域
该技术属于有限元模拟领域，具体涉及一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法。
背景技术
我国新一代运载火箭贮箱结构材料为时效强化的2219铝合金，焊接方法为自动TIG焊。根据所经历的热循环不同，可将时效强化的2219铝合金熔化焊接头分为焊缝区(WZ)、部分熔化区(PMZ)、过时效区(OAZ)、热影响区(HAZ)、母材(BM)等区域(如图1所示)，各区域的组织及力学性能高度非均匀。焊缝(WZ)和部分熔化区(PMZ)由于存在不同程度的Cu元素偏析，力学性能显著降低，是接头中力学性能最薄弱的区域。热影响区中的过时效区(OAZ)，由于强化相发生长大形成稳定的θ相，强化效果下降，力学性能也下降明显。为弥补焊缝强度的不足，焊接接头通常保留一定的焊缝余高。余高的存在使接头成为几何不连续体，受载时焊趾处会出现应力集中。总之，时效强化的2219铝合金熔化焊接头具有几何与力学性能高度不均匀的特点，其在承载状态下的力学行为异常复杂。
目前，在贮箱设计时，将接头处的力学性能按母材强度的50％设计。这种对接头力学行为的描述过于简单，无法反映接头在实际贮箱中的真实受力情况、承载能力及破坏过程，制约了贮箱结构的优化设计。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种时效强化铝合金接头力学行为的有限元模拟方法，预测贮箱中的熔化焊接头在实际承载过程中的力学行为和断裂过程。
本发明的技术方案如下：一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法,包括以下步骤：
S1建立接头拉伸力学行为分析的材料本构模型
S2建立接头拉伸力学行为分析的物理模型，具体步骤如下：
S3根据S1中材料本构模型和S2物理模型，构建接头力学行为分析的有限元模型，分析接头的力学行为。
所述步骤S1包括以下步骤：
S(1.1)采用TIG焊工艺对平板进行对接焊，在距离焊缝中心由近及远相隔3～5mm距离的不同位置处预埋热电偶，用温度采集仪记录焊接过程中接头各个区域的温度-时间曲线；
S(1.2)根据步骤S(1.1)温度-时间曲线测量结果，制定热模拟控温参数，采用热模拟试验机分别制备接头的部分熔化区、过时效区、热影响区的热模拟试样；
S(1.3)在步骤S(1.1)焊接后的平板中截取焊缝拉伸试样，在步骤S(1.2)热模拟的试样中分别截取部分熔化区、过时效区、热影响区的拉伸试样，在母材中截取母材的拉伸试样；
S(1.4)对步骤S(1.3)制取的焊缝、部分熔化区、过时效区、热影响区、母材的拉伸试样进行单向拉伸试验，并用引伸计记录拉伸时的变形，获得拉伸时的力-变形曲线，根据力-变形曲线及试样截面积、引伸计标距，得到各区域拉伸时真应力-真应变曲线，根据各区真应力-真应变曲线，得到各区材料的线性极限应力σ0、硬化指数n；
S(1.5)在Abaqus中分别建立焊缝、部分熔化区、过时效区、热影响区、母材的1:1尺寸拉伸试样模型，采用GTN孔洞损伤断裂模型描述材料的塑性变形及断裂失效行为，通过单向拉伸数值模拟计算，反向标定GTN模型的待定参数：孔洞形核的平均应变εn、标准偏差Sn、可发生微孔洞形核的第二相粒子体积分数fN、开始发生聚合时的孔洞体积分数比fc、材料断裂时的临界孔洞体积分数比fF、GTN孔洞损伤模型系数qi(i＝1,2,3)，直至拉伸模拟的力-变形曲线结果与步骤S(1.4)的力-变形曲线试验结果相差小于5％。
所述步骤S2包括以下步骤：
S(2.1)根据步骤S(1.1)中平板对接试验的焊接工艺参数，建立热源模型模拟平板对接过程的温度场，根据步骤S(1.1)中温度循环测量结果，不断校准热源模型和修改边界条件设置，直至温度场模拟结果与步骤S(1.1)实测值相差小于5％，确定接头中部分熔化区、过时效区、热影响区的峰值温度分布；
S(2.2)在步骤S(1.1)焊接试板中截取接头的横截面金相试样，测量接头中的焊缝余高轮廓、熔合线轮廓尺寸；
S(2.3)根据S(2.1)的峰值温度分布数值模拟结果，每隔20℃至50℃，提取峰值温度从焊缝熔合线温度至200℃的位置及形状；
S(2.4)根据以上S(2.2)、S(2.3)的结果，构建涵盖焊缝、部分熔化区、过时效区、热影响区、母材的接头物理模型。
所述步骤S3包括以下步骤：
S(3.1)在Abaqus中建立接头的几何模型，并将几何模型按S(2.4)接头物理模型剖分成焊缝、部分熔化区、过时效区、热影响区、母材，各区按S(1.4)、S(1.5)结果，设置不同的材料属性及本构模型参数；
S(3.2)在Abaqus中划分接头网格，在焊缝、部分熔化区采用细网格，并逐渐过渡到过时效区，热影响区采用较粗的网格；
S(3.3)在Abaqus中设置力、位移边界条件，以及加载方式和数值；
S(3.4)在Abaqus中设置分析步，采用动力显示算法计算接头加载过程中的应力、应变、力、变形量及断裂过程；
所述步骤S(1.2)中，制定热模拟控温参数包括：加热速率、冷却速率、峰值温度、保温时间。
所述步骤S(1.2)中，热模拟试验机为Gleeble1500D。
所述S(2.3)中，焊缝熔合线温度为643℃。
本发明的显著效果在于：可应用于准确预测运载火箭贮箱的熔化焊接头在复杂工况下的承载能力和断裂行为.
附图说明
图1为本发明所述的预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法铝合金熔化焊接头各区示意图
图2为本发明所述的预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法流程图
图3为本发明所述的预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法平板对接焊的热电偶位置示意图
图4为本发明所述的预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法Gleeble1500D热模拟示意图
图5为本发明所述的预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法2219铝合金TIG焊接接头拉伸物理模型示意图
图中：1-焊缝(WZ)、2-部分熔化区(PMZ)、3-过时效区(OAZ)、4-热影响区(HAZ)、5-母材(BM)、6-热电偶测温位置、7-控温热电偶，8-热模拟卡具、9-热模拟试样、10-PMZ610、11-PMZ580、12-PMZ550、13-HAZ500、14-HAZ450、15-HAZ400、16-HAZ350、17-HAZ300、18-HAZ250、19-HAZ200
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法,包括以下步骤：
S1建立接头拉伸力学行为分析的材料本构模型，具体步骤如下：
S(1.1)采用TIG焊工艺对平板进行对接焊，在距离焊缝中心由近及远相隔3～5mm距离的不同位置处预埋热电偶，如图3所示，用温度采集仪记录焊接过程中接头各个区域的温度-时间曲线。
S(1.2)根据步骤S(1.1)温度-时间曲线测量结果，制定热模拟控温参数(具体为：加热速率、冷却速率、峰值温度、保温时间)，采用热模拟试验机(Gleeble1500D)分别制备接头的部分熔化区、过时效区、热影响区的热模拟试样，图4为热模拟示意图。
S(1.3)在步骤S(1.1)焊接后的平板中截取焊缝拉伸试样，在步骤S(1.2)热模拟的试样中分别截取部分熔化区、过时效区、热影响区的拉伸试样，在母材中截取母材的拉伸试样。
S(1.4)对步骤S(1.3)制取的焊缝、部分熔化区、过时效区、热影响区、母材的拉伸试样进行单向拉伸试验，并用引伸计记录拉伸时的变形，获得拉伸时的力-变形曲线，根据力-变形曲线及试样截面积、引伸计标距，得到各区域拉伸时真应力-真应变曲线，根据各区真应力-真应变曲线，得到各区材料的线性极限应力σ0、硬化指数n。
S(1.5)在Abaqus中分别建立焊缝、部分熔化区、过时效区、热影响区、母材的1:1尺寸拉伸试样模型，采用GTN孔洞损伤断裂模型描述材料的塑性变形及断裂失效行为，通过单向拉伸数值模拟计算，反向标定(反算)GTN模型的待定参数：孔洞形核的平均应变εn、标准偏差Sn、可发生微孔洞形核的第二相粒子体积分数fN、开始发生聚合时的孔洞体积分数比fc、材料断裂时的临界孔洞体积分数比fF、GTN孔洞损伤模型系数qi(i＝1,2,3)，直至拉伸模拟的力-变形曲线结果与步骤S(1.4)的力-变形曲线试验结果相差小于5％。
S2建立接头拉伸力学行为分析的物理模型，具体步骤如下：
S(2.1)根据步骤S(1.1)中平板对接试验的焊接工艺参数，建立热源模型模拟平板对接过程的温度场，根据步骤S(1.1)中温度循环测量结果，不断校准热源模型和修改边界条件设置，直至温度场模拟结果与步骤S(1.1)实测值相差小于5％，确定接头中部分熔化区、过时效区、热影响区的峰值温度分布。
S(2.2)在步骤S(1.1)焊接试板中截取接头的横截面金相试样，测量接头中的焊缝余高轮廓、熔合线轮廓尺寸。
S(2.3)根据S(2.1)的峰值温度分布数值模拟结果，每隔20℃至50℃，提取峰值温度从643℃(焊缝熔合线温度)至200℃的位置及形状。
S(2.4)根据以上S(2.2)、S(2.3)的结果，构建涵盖焊缝、部分熔化区、过时效区、热影响区、母材的接头物理模型，如图5所示。
S3根据S(1.4)、S(1.5)材料本构模型和S(2.4)物理模型，构建接头力学行为分析的有限元模型，分析接头的力学行为。
S(3.1)在Abaqus中建立接头的几何模型，并将几何模型按S(2.4)接头物理模型剖分成焊缝、部分熔化区、过时效区、热影响区、母材，各区按S(1.4)、S(1.5)结果，设置不同的材料属性及本构模型参数。
S(3.2)在Abaqus中划分接头网格，在焊缝、部分熔化区采用细网格，并逐渐过渡到过时效区，热影响区采用较粗的网格。
S(3.3)在Abaqus中设置力、位移边界条件，以及加载方式和数值。
S(3.4)在Abaqus中设置分析步，采用动力显示算法计算接头加载过程中的应力、应变、力、变形量及断裂过程。

Claims (4)

1.一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法,其特征在于：包括以下步骤：
S1建立接头拉伸力学行为分析的材料本构模型；
S2建立接头拉伸力学行为分析的物理模型；
S3根据S1中材料本构模型和S2物理模型，构建接头力学行为分析的有限元模型，分析接头的力学行为；
所述步骤S1包括以下步骤：
S(1.1)采用TIG焊工艺对平板进行对接焊，在距离焊缝(1)中心由近及远相隔3～5mm距离的不同位置处预埋热电偶，用温度采集仪记录焊接过程中接头各个区域的温度-时间曲线；
S(1.2)根据步骤S(1.1)温度-时间曲线测量结果，制定热模拟控温参数，采用热模拟试验机分别制备接头的部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)的热模拟试样；
S(1.3)在步骤S(1.1)焊接后的平板中截取焊缝拉伸试样，在步骤S(1.2)热模拟的试样中分别截取部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)的拉伸试样，在母材(5)中截取母材的拉伸试样；
S(1.4)对步骤S(1.3)制取的焊缝(1)、部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)、母材(5)的拉伸试样进行单向拉伸试验，并用引伸计记录拉伸时的变形，获得拉伸时的力-变形曲线，根据力-变形曲线及试样截面积、引伸计标距，得到各区域拉伸时真应力-真应变曲线，根据各区真应力-真应变曲线，得到各区材料的线性极限应力σ0、硬化指数n；
S(1.5)在Abaqus中分别建立焊缝(1)、部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)、母材(5)的1:1尺寸拉伸试样模型，采用GTN孔洞损伤断裂模型描述材料的塑性变形及断裂失效行为，通过单向拉伸数值模拟计算，反向标定GTN模型的待定参数：孔洞形核的平均应变εn、标准偏差Sn、可发生微孔洞形核的第二相粒子体积分数fN、开始发生聚合时的孔洞体积分数比fc、材料断裂时的临界孔洞体积分数比fF、GTN孔洞损伤模型系数qi,i＝1,2,3，直至拉伸模拟的力-变形曲线结果与步骤S(1.4)的力-变形曲线试验结果相差小于5％；
所述步骤S2包括以下步骤：
S(2.1)根据步骤S(1.1)中平板对接试验的焊接工艺参数，建立热源模型模拟平板对接过程的温度场，根据步骤S(1.1)中温度循环测量结果，不断校准热源模型和修改边界条件设置，直至温度场模拟结果与步骤S(1.1)实测值相差小于5％，确定接头中部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)的峰值温度分布；
S(2.2)在步骤S(1.1)焊接试板中截取接头的横截面金相试样，测量接头中的焊缝(1)余高轮廓、熔合线轮廓尺寸；
S(2.3)根据S(2.1)的峰值温度分布数值模拟结果，每隔20℃至50℃，提取峰值温度从焊缝熔合线温度至200℃的位置及形状；
S(2.4)根据以上S(2.2)、S(2.3)的结果，构建涵盖焊缝(1)、部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)、母材(5)的接头物理模型；
所述步骤S3包括以下步骤：
S(3.1)在Abaqus中建立接头的几何模型，并将几何模型按S(2.4)接头物理模型剖分成焊缝(1)、部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)、母材(5)，各区按S(1.4)、S(1.5)结果，设置不同的材料属性及本构模型参数；
S(3.2)在Abaqus中划分接头网格，在焊缝(1)、部分熔化区(2)采用细网格，并逐渐过渡到过时效区(3)，热影响区采用较粗的网格；
S(3.3)在Abaqus中设置力、位移边界条件，以及加载方式和数值；
S(3.4)在Abaqus中设置分析步，采用动力显示算法计算接头加载过程中的应力、应变、力、变形量及断裂过程。
2.根据权利要求1所述的一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法，其特征在于：所述步骤S(1.2)中，制定热模拟控温参数包括：加热速率、冷却速率、峰值温度、保温时间。
3.根据权利要求1所述的一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法，其特征在于：所述步骤S(1.2)中，热模拟试验机为Gleeble1500D。
4.根据权利要求1所述的一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法，其特征在于：所述S(2.3)中，焊缝熔合线温度为643℃。
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