CN110728080A - 焊接有限元模型构建方法及校核方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种焊接有限元模型构建方法。该方法包括：对变流器柜体骨架的几何模型进行几何处理；根据骨架的几何模型中各个零件的轮廓辅助线，将构成骨架的几何模型的零件进行两两分组，同一组的两个零件相邻；针对所有组零件中的每组零件均执行以下操作，以构建出具有焊缝及其对应的焊缝单元的有限元模型：根据该组的两个零件各自连接端的节点的位置信息，确定两个零件各自连接端的节点之间的间距信息；根据间距信息，确定两个零件各自连接端的节点之间是否存在焊缝；以及在确定存在焊缝的情况下，在焊缝上建立焊缝单元。因此，本发明不仅可以减少设计人员的工作量，而且大大提高了有限元建模的速度。
Description
技术领域
本发明涉及变流器技术领域，尤其涉及一种焊接有限元模型构建方法及校核方法。
背景技术
随着高速铁路和城市轨道交通的不断进步与高速发展，高铁和动车已经成为人们生活中的必要交通工具。变流器作为牵引系统的重要组成部分，其设计(尤其是变流器柜体结构轻量化的设计)及制造已经广泛地使用了计算机辅助设计(Computer AidedEngineering，CAE)技术。
变流器柜体是由多个构件组成，该构件多为铝合金、不锈钢或碳钢等材料，其连接方式主要是焊接、螺栓连接和铆接等。在变流器柜体的焊接强度及疲劳仿真中，需要建立2万多的焊接单元。然而，目前对变流器柜体的焊缝创建主要是手动创建刚性单元，调用Hypermesh软件本身自带的焊缝创建功能来连接构件，且在创建连接时主要是线对面的创建，如果遇到对焊、特殊类型的焊接形式，焊接时需要人工布置焊点，从而使设计人员在焊缝连接上需要花费大量的时间，这不仅大大增加了设计人员的工作量，而且极大地影响了有限元建模的速度。
此外，目前在对有限元模型的焊缝进行校核时，通常是采用手动的工程算法，大大降低了焊缝校核的速度。并且，使用该算法进行校核时，无法显示变流器柜体整体焊接相对薄弱的位置，大大降低了焊缝校核结果的准确性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种焊接有限元模型构建方法及校核方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：目前的焊接有限元模型构建方法主要是通过人工手动创建刚性单元、手动布置焊点，不仅使设计人员的工作量增加，而且降低了有限元建模的速度。并且，目前的焊接有限元模型校核方法主要是采用手动的工程算法，大大降低了焊缝校核的速度和焊缝校核结果的准确性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种焊接有限元模型构建方法及校核方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种焊接有限元模型构建方法，包括：
对变流器柜体骨架的几何模型进行几何处理；
根据所述骨架的几何模型中各个零件的轮廓辅助线，将构成所述骨架的几何模型的零件进行两两分组，同一组的两个零件相邻；
针对所有组零件中的每组零件均执行以下操作，以构建出具有焊缝及其对应的焊缝单元的有限元模型：
根据该组的两个零件各自连接端的节点的位置信息，确定所述两个零件各自连接端的节点之间的间距信息；
根据所述间距信息，确定所述两个零件各自连接端的节点之间是否存在焊缝；以及
在确定存在焊缝的情况下，在所述焊缝上建立焊缝单元。
在本发明一优选实施例中，根据所述间距信息，确定所述两个零件各自连接端的节点之间是否存在焊缝，包括：
判断所述两个零件各自连接端的节点之间的间距是否相等；
在判断出所述间距相等的情况下，将所述间距与第一容差阈值进行比较，若所述间距小于所述第一容差阈值，确定所述两个零件各自连接端的节点之间存在焊缝。
在本发明一优选实施例中，在确定存在焊缝的情况下，在所述焊缝上建立焊缝单元，包括：
在确定存在焊缝的情况下，记录所述两个零件的属性信息，并基于所述属性信息在所述焊缝上建立焊缝单元。
在本发明一优选实施例中，在确定存在焊缝的情况下，在所述焊缝上建立焊缝单元，还包括：
在记录所述两个零件的属性信息之后，判断所述两个零件是否为螺栓或铆钉连接。
在本发明一优选实施例中，判断所述两个零件是否为螺栓或铆钉连接，包括：
判断所述两个零件中的每个零件是否具有螺栓孔；
在判断出所述每个零件具有螺栓孔的情况下，确定所述两个零件的螺栓孔之间的间距；
将所述间距与第二容差阈值进行比较，若所述间距小于所述第二容差阈值，确定所述两个零件为螺栓或铆钉连接。
在本发明一优选实施例中，在确定存在焊缝的情况下，在所述焊缝上建立焊缝单元，还包括：
在记录所述两个零件的属性信息之后，判断所述两个零件是否为塞焊连接。
在本发明一优选实施例中，判断所述两个零件是否为塞焊连接，包括：
判断所述两个零件中的至少其中一个零件是否具有塞焊孔；
在判断出所述两个零件中的至少其中一个零件具有塞焊孔的情况下，判断所述塞焊孔的几何尺寸是否符合塞焊孔的规格尺寸；
在判断出所述塞焊孔的几何尺寸符合塞焊孔的规格尺寸的情况下，确定所述两个零件之间的间距；
将所述间距与第三容差阈值进行比较，若所述间距小于所述第三容差阈值，确定所述两个零件为塞焊连接。
在本发明一优选实施例中，其通过TCL/TK语言编译的自动焊接脚本文件来执行。
根据本发明的另一个方面，提供了一种焊接有限元模型校核方法，包括：
针对采用上述焊接有限元模型构建方法构建的有限元模型中所有焊缝中的每个焊缝均执行以下操作：
在对称工况下提取焊缝的节点应力；
根据焊缝与其相邻两个零件之间的位置信息，确定焊缝的类型；
根据所述焊缝的类型确定焊缝的疲劳强度等级；
根据焊缝的表面处理情况和与所述焊缝相邻的两个零件的材料属性，确定焊缝的焊接强度因子；
根据所述焊缝的疲劳强度等级、所述焊缝的焊接强度因子以及与所述焊缝相邻的两个零件的工作情况，确定焊缝的综合安全系数；
根据焊缝的标准设计参数、所述焊缝的综合安全系数和所述焊缝的节点应力，确定焊缝的利用度，从而得到校核结果。
根据本发明一优选实施例中，其通过TCL/TK语言编译的自动焊接校核脚本文件来执行。
与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：
应用本发明实施例提供的焊接有限元模型构建方法，通过TCL/TK语言编译的自动焊接脚本文件自动确定两个零件各自连接端的节点之间是否存在焊缝，并在确定存在焊缝的情况下，自动在焊缝上建立焊缝单元以构建焊接有限元模型。因此，本发明的焊接有限元模型构建方法不仅可以减少设计人员的工作量，而且大大提高了有限元建模的速度。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例的焊接有限元模型构建方法的流程示意图；
图2为图1中步骤S104的具体流程示意图；
图3为图1中步骤S105的具体流程示意图；
图4为图3中步骤S1052的具体流程示意图；
图5为图3中步骤S1053的具体流程示意图；
图6为本发明实施例的焊接有限元模型校核方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
目前的焊接有限元模型构建方法主要是通过人工手动创建刚性单元、手动布置焊点，不仅使设计人员的工作量增加，而且降低了有限元建模的速度。并且，目前的焊接有限元模型校核方法主要是采用手动的工程算法，大大降低了焊缝校核的速度和焊缝校核结果的准确性。
为了解决上述技术问题，本案发明人对Hypermesh软件进行功能优化，提出了一种焊接有限元模型构建方法及校核方法。
根据本发明的一个方面，提供了一种焊接有限元模型构建方法。
图1为本发明实施例的焊接有限元模型构建方法的流程示意图。
如图1所示，本发明实施例的焊接有限元模型构建方法，主要包括步骤S101至步骤S105。
在步骤S101中，对变流器柜体骨架的几何模型进行几何处理。具体地，由于本实施例的变流器柜体大多是采用板材制造，导致变流器柜体的长厚比较大。为了便于构建变流器柜体的焊接有限元模型，在本实施例中，需要使用TCL/TK语言编译的自动焊接脚本文件对变流器柜体骨架的几何模型抽取中面，并修复抽取中面所带来的一些几何问题。
在步骤S102中，根据骨架的几何模型中各个零件的轮廓辅助线，将构成骨架的几何模型的零件进行两两分组，同一组的两个零件相邻。具体地，TCL/TK语言编译的自动焊接脚本文件根据变流器柜体骨架的几何模型中各个零件的轮廓自动生成各个零件的轮廓辅助线，并自动将构成变流器柜体骨架的几何模型中的所有零件进行两两分组，且使同一组的两个零件相邻。
然后，针对所有组零件中的每组零件均执行以下操作，以构建出具有焊缝及其对应的焊缝单元的有限元模型：
在步骤S103中，根据该组的两个零件各自连接端的节点的位置信息，确定两个零件各自连接端的节点之间的间距信息。具体地，变流器柜体骨架的几何模型中各个零件都包括有设置在零件上的连接端，两个零件各自连接端的节点在选择出之后，获取到两个零件各自连接端的节点的位置信息，其中节点的位置信息可以各种操作平台下建立的垂直坐标系中的坐标位置，也可以为各个节点之间的位置相对值。通过计算该组的两个零件各自连接端的节点的位置信息之间的差值，可以得到两个零件各自连接端的节点之间的间距信息。
优选地，通过使用TCL/TK语言编译的自动焊接脚本文件来执行步骤S103。
在步骤S104中，根据间距信息，确定两个零件各自连接端的节点之间是否存在焊缝。
具体地，需要使用TCL/TK语言编译的自动焊接脚本文件对两个零件进行平行判断和距离判断，具体判断过程如图2所示。
在步骤S1041中，判断两个零件各自连接端的节点之间的间距是否相等。若间距相等，则表示两个零件平行，继续执行步骤S1042；若间距不相等，则表示两个零件不平行，此时结束操作。
在步骤S1042中，将间距与第一容差阈值进行比较，并判断间距是否小于第一容差阈值。若间距小于第一容差阈值，则确定两个零件各自连接端的节点之间存在焊缝。若间距大于等于第一容差阈值，则表示两个零件各自连接端的节点之间不存在焊缝，此时结束操作。
需要说明的是，第一容差阈值可以根据实际情况来设置，在此不做限定。
在步骤S105中，在确定存在焊缝的情况下，在焊缝上建立焊缝单元。优选地，焊缝单元包括刚性单元和壳单元。
需要说明的是，需要根据实际情况对焊缝单元的类型进行选择，在此不做限定。
具体地，如图3所示。在步骤S1051中，记录两个零件的属性信息。优选地，该属性信息包括：零件编号、零件尺寸等。
在本发明一优选实施例中，步骤S105还包括：在步骤S1051之后，执行步骤S1052，判断两个零件是否为螺栓或铆钉连接。具体判断过程如图4所示。
在步骤S10521中，判断两个零件中的每个零件是否具有螺栓孔。若两个零件中的每个零件均具有螺栓孔，继续执行步骤S10522；若两个零件中的任一零件不具有螺栓孔，则表示两个零件不是螺栓或铆钉连接，此时需要基于两个零件的属性信息在焊缝上建立焊缝单元，对两个零件进行焊接。
在步骤S10522中，确定两个零件的螺栓孔之间的间距。具体地，根据两个零件的螺栓孔的圆心之间的距离，得到两个零件的螺栓孔之间的间距。
在步骤S10523中，将间距与第二容差阈值进行比较，并判断间距是否小于第二容差阈值。若间距小于第二容差阈值，则确定两个零件为螺栓或铆钉连接。若间距大于等于第二容差阈值，则表示两个零件不符合螺栓或铆钉连接的要求，此时需要基于两个零件的属性信息在焊缝上建立焊缝单元，对两个零件进行焊接。
需要说明的是，第二容差阈值可以根据实际情况来设置，在此不做限定。
在本发明一优选实施例中，步骤S105还包括：在步骤S1051之后，执行步骤S1053，判断两个零件是否为塞焊连接。具体判断过程如图5所示。
在步骤S10531中，判断两个零件中的至少其中一个零件是否具有塞焊孔。若两个零件中的至少其中一个零件具有塞焊孔，继续执行步骤S10532；若两个零件都不具有塞焊孔，则表示两个零件不是塞焊连接，此时需要基于两个零件的属性信息在焊缝上建立焊缝单元，对两个零件进行普通形式的焊接。
在步骤S10532中，判断塞焊孔的几何尺寸是否符合塞焊孔的规格尺寸。若塞焊孔的几何尺寸符合塞焊孔的规格尺寸，继续执行步骤S10533；若塞焊孔的几何尺寸不符合塞焊孔的规格尺寸，则表示两个零件不符合塞焊的要求，此时需要基于两个零件的属性信息在焊缝上建立焊缝单元，对两个零件进行普通形式的焊接。
在步骤S10533中，确定两个零件之间的间距。随后，执行步骤S10534。
在步骤S10534中，将间距与第三容差阈值进行比较，并判断间距是否小于第三容差阈值。若间距小于第三容差阈值，则确定两个零件为塞焊连接。若间距大于等于第三容差阈值，则确定两个零件不符合塞焊的要求，此时需要基于两个零件的属性信息在焊缝上建立焊缝单元，对两个零件进行普通形式的焊接。
这里，需要说明的是，当两个零件中的每个零件都具有塞焊孔时，该两个零件的塞焊孔的位置不能是对应关系。
还需要说明的是，第三容差阈值可以根据实际情况来设置，在此不做限定。
优选地，通过TCL/TK语言编译的自动焊接脚本文件来执行步骤S105。
基于此，便完成焊接有限元模型的构建。
可见，本实施例的焊接有限元模型构建方法可以支持满焊、段焊、塞焊等多种焊接形式。
需要说明的是，本实施例的焊接有限元模型构建方法针对复杂零件可以提供自动焊接模式和手动焊接模式。具体地，其通过使用TCL/TK语言编译的自动焊接脚本文件，不仅能够自动确定两个零件各自连接端的节点之间是否存在焊缝，还能够自动确定一个零件与多个零件各自连接端的节点之间是否存在焊缝，并在确定存在焊缝的情况下自动建立焊缝单元。此外，本实施例的焊接有限元模型构建方法还可以通过人工观察零件与零件之间的位置关系来人工判断各个零件之间是否存在焊缝，并在确定存在焊缝的情况下手动建立焊缝单元。
应用本发明实施例提供的焊接有限元模型构建方法，通过TCL/TK语言编译的自动焊接脚本文件自动确定两个零件各自连接端的节点之间是否存在焊缝，并在确定存在焊缝的情况下，自动在焊缝上建立焊缝单元以构建焊接有限元模型。因此，本发明的焊接有限元模型构建方法不仅可以减少设计人员的工作量，而且大大提高了有限元建模的速度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种焊接有限元模型校核方法。
图6为本发明实施例的焊接有限元模型校核方法的流程示意图。
如图6所示，本发明实施例的焊接有限元模型校核方法，主要包括以下步骤S201至步骤S206。需要说明的是，该方法是针对采用上述焊接有限元模型构建方法构建的有限元模型中所有焊缝中的每个焊缝来执行步骤S201至步骤S206的。
在步骤S201中，在对称工况下提取焊缝的节点应力。
在步骤S202中，根据焊缝与其相邻两个零件之间的位置信息，确定焊缝的类型。具体地，首先判断与焊缝相邻的两个零件是否平行，若两个零件平行，则需要进一步判断焊缝是否垂直于与其相邻的两个零件，若焊缝垂直于与其相邻的两个零件，则确定焊缝的类型为O型焊接；若焊缝不垂直于与其相邻的两个零件，则确定焊缝的类型为B型焊接；若两个零件不平行，则需要进一步判断两个零件是否垂直，若两个零件垂直，还需要进一步判断该两个零件的边缘是否与焊缝连接，若该两个零件的边缘与焊缝连接，则确定焊缝的类型为L型焊接；若该两个零件的边缘未与焊缝连接，则确定焊缝的类型为T型焊接。
在步骤S203中，根据焊缝的类型确定焊缝的疲劳强度等级。优选地，焊缝的疲劳强度等级是参考FKM焊接疲劳标准来确定。
在步骤S204中，根据焊缝的表面处理情况和与焊缝相邻的两个零件的材料属性，确定焊缝的焊接强度因子。其中，材料属性包括：材料的抗拉强度、屈服强度等。焊缝的表面处理包括打磨等表面处理。
在步骤S205中，根据焊缝的疲劳强度等级、焊缝的焊接强度因子以及与焊缝相邻的两个零件的工作情况，确定焊缝的综合安全系数。
在步骤S206中，根据焊缝的标准设计参数、焊缝的综合安全系数和焊缝的节点应力，确定焊缝的利用度，从而得到校核结果。其中，焊缝的标准设计参数是根据FKM焊接疲劳标准来确定的。
需要说明的是，由于焊缝的利用度为根据焊缝的标准设计参数、焊缝的综合安全系数和焊缝的节点应力计算出的实际焊缝强度与预设标准焊缝疲劳强度之比，因此，焊缝的利用度间接地反映了焊缝疲劳强度。
基于此，便完成焊接有限元模型的焊缝疲劳强度的校核。
在本发明一优选实施例中，该焊接有限元模型校核方法是通过TCL/TK语言编译的自动焊接校核脚本文件来执行。
应用本发明实施例提供的焊接有限元模型校核方法，通过TCL/TK语言编译的自动焊接校核脚本文件，根据焊缝及与焊缝相邻的两个零件的信息自动计算焊缝的利用度，并根据焊缝的利用度来自动校核焊缝的疲劳强度。因此，本发明的焊接有限元模型校核方法大大提高了焊缝校核的速度和焊缝校核结果的准确性。
本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种焊接有限元模型构建方法，其特征在于，包括：
对变流器柜体骨架的几何模型进行几何处理；
根据所述骨架的几何模型中各个零件的轮廓辅助线，将构成所述骨架的几何模型的零件进行两两分组，同一组的两个零件相邻；
针对所有组零件中的每组零件均执行以下操作，以构建出具有焊缝及其对应的焊缝单元的有限元模型：
根据该组的两个零件各自连接端的节点的位置信息，确定所述两个零件各自连接端的节点之间的间距信息；
根据所述间距信息，确定所述两个零件各自连接端的节点之间是否存在焊缝；以及
在确定存在焊缝的情况下，在所述焊缝上建立焊缝单元。
2.根据权利要求1所述的焊接有限元模型构建方法，其特征在于，根据所述间距信息，确定所述两个零件各自连接端的节点之间是否存在焊缝，包括：
判断所述两个零件各自连接端的节点之间的间距是否相等；
在判断出所述间距相等的情况下，将所述间距与第一容差阈值进行比较，若所述间距小于所述第一容差阈值，确定所述两个零件各自连接端的节点之间存在焊缝。
3.根据权利要求1所述的焊接有限元模型构建方法，其特征在于，在确定存在焊缝的情况下，在所述焊缝上建立焊缝单元，包括：
在确定存在焊缝的情况下，记录所述两个零件的属性信息，并基于所述属性信息在所述焊缝上建立焊缝单元。
4.根据权利要求3所述的焊接有限元模型构建方法，其特征在于，在确定存在焊缝的情况下，在所述焊缝上建立焊缝单元，还包括：
在记录所述两个零件的属性信息之后，判断所述两个零件是否为螺栓或铆钉连接。
5.根据权利要求4所述的焊接有限元模型构建方法，其特征在于，判断所述两个零件是否为螺栓或铆钉连接，包括：
判断所述两个零件中的每个零件是否具有螺栓孔；
在判断出所述每个零件具有螺栓孔的情况下，确定所述两个零件的螺栓孔之间的间距；
将所述间距与第二容差阈值进行比较，若所述间距小于所述第二容差阈值，确定所述两个零件为螺栓或铆钉连接。
6.根据权利要求3所述的焊接有限元模型构建方法，其特征在于，在确定存在焊缝的情况下，在所述焊缝上建立焊缝单元，还包括：
在记录所述两个零件的属性信息之后，判断所述两个零件是否为塞焊连接。
7.根据权利要求6所述的焊接有限元模型构建方法，其特征在于，判断所述两个零件是否为塞焊连接，包括：
判断所述两个零件中的至少其中一个零件是否具有塞焊孔；
在判断出所述两个零件中的至少其中一个零件具有塞焊孔的情况下，判断所述塞焊孔的几何尺寸是否符合塞焊孔的规格尺寸；
在判断出所述塞焊孔的几何尺寸符合塞焊孔的规格尺寸的情况下，确定所述两个零件之间的间距；
将所述间距与第三容差阈值进行比较，若所述间距小于所述第三容差阈值，确定所述两个零件为塞焊连接。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的焊接有限元模型构建方法，其特征在于，其通过TCL/TK语言编译的自动焊接脚本文件来执行。
9.一种焊接有限元模型校核方法，其特征在于，包括：
针对采用权利要求1至8中任一项所述的方法构建的有限元模型中所有焊缝中的每个焊缝均执行以下操作：
在对称工况下提取焊缝的节点应力；
根据焊缝与其相邻两个零件之间的位置信息，确定焊缝的类型；
根据所述焊缝的类型确定焊缝的疲劳强度等级；
根据焊缝的表面处理情况和与所述焊缝相邻的两个零件的材料属性，确定焊缝的焊接强度因子；
根据所述焊缝的疲劳强度等级、所述焊缝的焊接强度因子以及与所述焊缝相邻的两个零件的工作情况，确定焊缝的综合安全系数；
根据焊缝的标准设计参数、所述焊缝的综合安全系数和所述焊缝的节点应力，确定焊缝的利用度，从而得到校核结果。
10.根据权利要求9所述的焊接有限元模型校核方法，其特征在于，其通过TCL/TK语言编译的自动焊接校核脚本文件来执行。
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