CN110866359B - 一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法 - Google Patents

一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法，包括：获取目标工件模型；获取双椭球热源模型参数；基于修正双椭球热源模型参数对焊接件模型进行双椭球热源模型的加载；对进行双椭球热源模型加载后的目标工件模型进行焊接模拟，得到模拟数据。如何提高焊接模拟结果的准确性。

Description

一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法
技术领域
本发明涉及实验仿真领域，具体涉及一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法。
背景技术
研究学者通过对焊接过程数值模拟的研究，希望在创建焊接温度场模型时，能够客观地反映焊接过程，尽可能地考虑进所有影响焊接过程的因素，以便能够准确预测焊接温度场分布。
然后现有技术中采用普通体生热加载的方法，并不能得到准确的模拟结果，例如，在针对SAPH440钢的焊接模拟中，普通体生热加载在模拟熔池温度分布存在一定的局限性(普通加载模型，因为受到焊接方法、焊接材料、焊接参数、焊件厚度等影响，热源分布不能与实际热源吻合，存在模拟结果存在较大误差)，导致模拟仿真得到的结果与真实结果存在较大差异。
因此，如何提高焊接模拟结果的准确性，成为了本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提高焊接模拟结果的准确性。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法，包括：
获取目标工件模型；
获取双椭球热源模型参数；
基于修正双椭球热源模型参数对焊接件模型进行双椭球热源模型的加载；
对进行双椭球热源模型加载后的目标工件模型进行焊接模拟，得到模拟数据。
优选地，双椭球热源模型中，双椭球体积移动热输入的热密度分布为qi(x,y,z)，
Figure BDA0002271830470000011
式中，Q＝UIη，U是焊接电压、I是焊接电流、η是热效率，a代表熔池沿x轴方向熔宽的一半，b代表沿厚度方向的熔深，ci段的和为沿焊接方向的熔长，z轴方向为焊接方向，y轴方向为目标工件的厚度方向，cf为焊接方向的第一熔长，cr为焊接方向的第二熔长，α、β、χ均为预设公式参数。
优选地，a的取值范围是3mm-6mm，b的取值范围是1.6mm-4.8mm，cf+cr的取值范围是9.0mm-20mm。
综上所述，本发明公开了一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法，包括：获取目标工件模型；获取双椭球热源模型参数；基于修正双椭球热源模型参数对焊接件模型进行双椭球热源模型的加载；对进行双椭球热源模型加载后的目标工件模型进行焊接模拟，得到模拟数据。提高了焊接模拟结果的准确性。
附图说明
图1为本发明公开的一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法的一种具体实施方式的流程图；
图2为本发明实施例中示例目标工件的网格划分示意图；
图3为本发明中双椭球模型示意图；
图4为增加尺寸a时的模拟结果图；
图5为增加尺寸b时的模拟结果图；
图6为增加尺寸c时的模拟结果图；
图7及图8为SAPH440钢示例结果对比图；
图9为SAPH440钢示例的焊接接头界面形貌示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述说明。
本发明公开了一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法，包括：
获取目标工件模型；
获取双椭球热源模型参数；
基于修正双椭球热源模型参数对焊接件模型进行双椭球热源模型的加载；
对进行双椭球热源模型加载后的目标工件模型进行焊接模拟，得到模拟数据。
与现有技术相比，本申请公开的一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法，采用双椭球热源模型进行加载后再进行有限元分析，能够在焊缝、热影响区达到较为精确的模拟计算且可通过控制参数进行焊材上下表明温度分布的调节。提高了对SAPH440G钢材料的焊接模拟结果的准确性。
焊接的数值模拟中，划分出的网格的类型、排列、大小均对模拟结果很重要。若网格以不规程的形状分布于焊缝及热影响区，必然影响单元的规律排列，降低移动热源加载的精确性，热源在每一层单元处的总范围不统一、总热输入不统一，造成在模拟焊接过程中，不同时间、不同位置热输入的不一致，严重削弱了理论焊接模拟的收敛情况，即影响了应力场的模拟结果。
在本发明中，以大小为100mm×120mm×3mm的目标工件为例，焊接时为避免椭球形状的失真，焊缝及HAZ(焊接热影响区)处的网格为0.4mm远离焊缝网格粗大，有限元模型如图2所示。
由于模拟实际焊接过程，通过APDL语言中的*DO循环代码模拟单元的激活及热源的移动。
具体实施时，双椭球热源模型中，双椭球体积移动热输入的热密度分布为qi(x,y,z)，
Figure BDA0002271830470000031
式中，Q＝UIη，U是焊接电压、I是焊接电流、η是热效率，a代表熔池沿x轴方向熔宽的一半，b代表沿厚度方向的熔深，ci段的和为沿焊接方向的熔长，z轴方向为焊接方向，y轴方向为目标工件的厚度方向，cf为焊接方向的第一熔长，cr为焊接方向的第二熔长，α、β、χ均为预设公式参数。
常用的双椭球模型的建立是在高精度网格的前提下，通过改变参数a、b、ci的值来改变熔池的尺寸，从而通过调整，更接近实际的熔池尺寸，来达到高精度的焊接模拟。
其公式为：
Figure BDA0002271830470000032
然而，一旦a、b、ci的值确定了，那么熔池以及热输入的分布比例就确定了，这是有局限性的，即在一定的熔池尺寸下，能量沿X、Y、Z轴的分布梯度是固定的，从而限制了双椭球热源模型建立的初衷。
本发明在现有模型的基础上进行修正，其余参数不变，将坐标参数前的3个常数变成了变量α、β、χ，这样就可以更加灵活的控制热流沿不同方向变化的梯度，可更加精确的模拟熔池尺寸及其能量分布。
如图3所示，Z方向为焊接方向，Y轴为焊材的厚度方向，双椭球热源沿焊接方向分前后两个不同Z轴长度的半椭球进行加载。
具体实施时，a的取值范围是3mm-6mm，b的取值范围是1.6mm-4.8mm，cf+cr的取值范围是9.0mm-20mm。
这里的范围值是模拟的取值范围，可以高于实验值，说明模拟结果误差大，但是最后精确模拟，取值要接近实验值。
根据实验结果，测得焊接接头熔宽10mm,熔深4mm,熔池长度19mm，采用熔宽：熔深：熔池长度＝10：8：19的修正方法，a,b,c最大修正值不能超过真实值5mm,4mm,(Cr+Cf)为19mm。
模拟数据包括温度场数据。
当总热输入相同的情况下，沿焊材宽度方向扩大熔池尺寸参数，即增加尺寸a，分别为2mm，4mm，6mm时，模拟结果如图4方案A、B、C，能量分布适当分散，焊缝峰值温度降低且熔宽、熔长都将减小。
当总热输入相同的情况下，沿焊材厚度方向增加熔池深度尺寸参数，即增加模型尺寸b，分别为3mm，4mm，5mm，模拟结果如图5方案A、B、C所示，b值越小模型热量分布越集中，熔深越小，同时熔宽变长。
当总热输入相同的情况下，增大熔长尺寸参数，即增大模型后椭球熔长Cr,分别为10mm、12mm、14mm，如图6所示，方案A、B、C，焊缝峰值温度范围降低，改善熔池后托不足。
由于熔长不同，HAZ(焊接热影响区)处节点的高温段时间有所不同；熔宽不同，HAZ处节点的最高温度不一样；熔深不同，热影响区处上下表面节点随温度的变化规律不同。
熔深参数的变化对热影响区上表面处节点温度基本没有影响；增大熔长参数使热影响区处节点最高温度稍有降低，高温持续时间有所减少。改变熔长、熔深尺寸参数对热影响区处的节点热循环曲线基本没有影响，但是增大熔宽参数会大幅降低HAZ节点温度。
沿熔宽方向的影响因子变小，会使得能量进一步分散分布，在焊材下表面处集中的能量变少m。
沿厚度方向参数的影响因子变小，会使熔池下端的温度分布整体提高。
沿焊接方向参数的影响因子变小，会使熔池下端的熔长有所增加，熔宽基本不变。
减小熔宽的参数会加大热影响区与焊缝处的最高温度差，减小熔长、熔深的参数会少量减少热影响区与焊缝处的最高温度差，减小熔深的参数在热影响区的下表面会进一步提高温度。
以SAPH440钢为例，SAPH440钢化学成分0.21w％C,0.30w％Si,0.425w％Mn,0.03w％P,
0.025w％S,0.01w％Alx,I型对接接头，规格150×200×3mm,t焊丝H08Mn2Si直径
Figure BDA0002271830470000051
T焊接参数,频率143HZ,气流15L/min,电压35V,电流75A,速度5mm/s,保护气体80％Ar+20％CO2.
主要对双椭球热源应用在SAPH440钢薄板(3mm及以下)脉冲弧焊上，能够准确预测工件上任意一点的温度和对应的组织。
本实验中，根据实验熔池界面测试数据确定，参数a，b，c以比例的形式确定,2a:2b:(Cr+Cf)＝10:8:19,对薄板焊接模拟，a取熔宽实测值，b为熔深，多于板厚1mm,而参数根据a,b值的选择，在一定范围内，再借助模拟软件，确定Cr和Cf，针对本实验，最终确定参数：a和b分别为5mm和4mm，Cr为12mm,Cf为6mm。ff为0.6,fr为1.5，ff和fr分别为对应Cf和Cr的热输入比例。图7及图8是模型未修改参数、修改参数后与实验数据对比。对比结果，修正模型确定参数的方法有效。焊接接头界面形貌如图9所示，模拟与实验吻合程度较好。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法，其特征在于，包括：
获取目标工件模型；
获取双椭球热源模型参数；
基于修正双椭球热源模型参数对焊接件模型进行双椭球热源模型的加载；
对进行双椭球热源模型加载后的目标工件模型进行焊接模拟，得到模拟数据；
双椭球热源模型中，双椭球体积移动热输入的热密度分布为qi(x,y,z)，
Figure FDA0004149467850000011
式中，Q＝UIη，U是焊接电压、I是焊接电流、η是热效率，a代表熔池沿x轴方向熔宽的一半，b代表沿厚度方向的熔深，ci段的和为沿焊接方向的熔长，z轴方向为焊接方向，y轴方向为目标工件的厚度方向，cf为焊接方向的第一熔长，cr为焊接方向的第二熔长，α、β、χ均为预设公式参数。
2.如权利要求1所述的基于修正双椭球热源模型的焊接模拟方法，其特征在于，a的取值范围是3mm-6mm，b的取值范围是1.6mm-4.8mm，cf+cr的取值范围是9.0mm-20mm。
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