CN110889213A - 一种基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法，包括：获取目标焊接件模型；基于目标焊接件模型建立焊缝模型；将焊缝模型沿熔池深度方向及熔池长度方向划分为多个待加载体；对每个待加载体分别加载体生热率热源模型，下层待加载体的体生热率大于或等于上层待加载体的体生热率；提取体生热率热源模型加载后的目标焊接件模型模拟数据。与现有技术相比，本发明在总热输入不变的前提下，施加不同比例的体生热率，即下方较高，上方较低，通过焊材上下表明温度分布的调节，实现焊缝、热影响区较为精确的模拟计算，提高了对SAPH440钢材料的焊接模拟结果的准确性。

Description

一种基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法
技术领域
本发明涉及实验仿真领域，具体涉及一种基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法。
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，受到焊接方法、焊接材料、焊接参数、焊件厚度等影响，使得热源分布不能与实际热源吻合，模拟结果存在较大误差，而焊接温度场分布直接影响接头组织性能，更决定接头残余应力大小。因此，如何采用基于实验数据，修正现有的热源模型，使得热源模型能够针对SAPH440钢脉冲弧焊准确模拟不同工艺的焊接温度场分布，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：
一种基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法，包括：
获取目标焊接件模型；
基于目标焊接件模型建立焊缝模型；
将焊缝模型沿熔池深度方向及熔池长度方向划分为多个待加载体；
对每个待加载体分别加载体生热率热源模型，下层待加载体的体生热率大于或等于上层待加载体的体生热率；
提取体生热率热源模型加载后的目标焊接件模型模拟数据。
优选地，体生热率采用以下公式计算：
Figure BDA0002277634620000011
其中，HGEN为体生热率；η为焊接热效率；U为电弧电压；I为焊接电流；v为焊速；S为加载的体单元面积；t为加载时间。
优选地，所述焊缝模型中，熔池深度方向与熔池长度方向的尺寸比为10：4。
优选地，将焊缝模型沿熔池深度方向按照截面面积3：3：4的比例，沿熔池长度方向按照截面面积2：1：2的比例切割分层得到待加载体。
优选地，沿熔池深度方向的待加载体的体生热率比为3：3：4，沿熔池长度方向的待加载体的体生热率比为1：2：1。
综上所述，本发明公开了一种基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法，包括：获取目标焊接件模型；基于目标焊接件模型建立焊缝模型；将焊缝模型沿熔池深度方向及熔池长度方向划分为多个待加载体；对每个待加载体分别加载体生热率热源模型，下层待加载体的体生热率大于或等于上层待加载体的体生热率；提取体生热率热源模型加载后的目标焊接件模型模拟数据。与现有技术相比，本发明在总热输入不变的前提下，施加不同比例的体生热率，即下方较高，上方较低，通过焊材上下表明温度分布的调节，实现焊缝、热影响区较为精确的模拟计算，提高了对SAPH440钢材料的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切片分割加载体的热源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焊接件模型的网格划分示意图；
图3为本发明实施例中示例焊缝模型的分割示意图；
图4为本发明中按照不同方式沿熔池深度划分待加载体之后的模拟数据对比图；
图5为本发明中按照不同方式沿熔池长度划分待加载体之后的模拟数据对比图；
图6为现实中的焊接接头示意图。
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。
如图1所示，本发明公开了一种基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法，包括：
获取目标焊接件模型；
基于目标焊接件模型建立焊缝模型；
将焊缝模型沿熔池深度方向及熔池长度方向划分为多个待加载体；
对每个待加载体分别加载体生热率热源模型，下层待加载体的体生热率大于或等于上层待加载体的体生热率；
提取体生热率热源模型加载后的目标焊接件模型模拟数据。
现有技术中，在进行焊接模拟时，对于焊缝区域，单位体积的热输入相同，有限元模型下层体积相对于上层体积变小，然而上下层有限元模型在计算过程中却有同样的接触面积向两侧母材导热，使得焊缝下方温度偏低，造成焊缝熔深温度梯度过大，熔深较短，与实际不符。特别是网格的疏密代表着计算的精确度，因为焊接弧柱直径实际3mm～4mm，沿着熔深方向加载一层单元，造成热源在熔深的深度不够，电弧造成熔池后托性，沿着焊接方向上熔池长度往往与实际热源宽度不符。因此，本发明焊缝模型沿熔池深度方向及熔池长度方向划分为多个待加载体，并且根据深度的不同施加不同的体生热率，从而使得在总热输入不变的前提下，焊缝模型中下方的待加载体的体生热率较高，上方的待加载体的体生热率较低，通过焊材上下表明温度分布的调节，实现焊缝、热影响区较为精确的模拟计算，提高了对SAPH440G钢材料的焊接模拟结果的准确性。
具体实施时，体生热率采用以下公式计算：
Figure BDA0002277634620000031
其中，HGEN为体生热率；η为焊接热效率；U为电弧电压；I为焊接电流；v为焊速；S为加载的体单元面积；t为加载时间。
在本发明中，η的取值可为0.85，t的取值可为0.1s。初始条件：Tt＝0＝25℃，边界条件：对流换热系数α＝10.8W/(m2·℃)。
具体实施时，所述焊缝模型中，熔池深度方向与熔池长度方向的尺寸比为10：4。
如图6所示，通过实验发现，焊接接头尺寸通常为熔宽10mm,熔深4mm,熔池长度19mm，因此取熔池深度方向与熔池长度方向的尺寸比为10：4。
如图3所示，具体实施时，将焊缝模型沿熔池深度方向按照截面面积3：3：4的比例、沿熔池长度方向按照截面面积2：1：2的比例切割分层得到待加载体。
具体实施时，沿熔池深度方向的待加载体的体生热率比为3：3：4，沿熔池长度方向的待加载体的体生热率比为1：2：1。
在本发明中，以大小为100mm×240mm×4mm的目标焊接件为例，焊接时为避免热源尺寸的失真，沿着熔深方向焊缝及粗晶区处的网格为0.1mm，远离焊缝区域的网格粗大，焊件有限元模型如图2所示。在模拟实际焊接过程，利用APDL语言中的*DO循环代码模拟单元的激活及热源的移动。
对有限元模型每秒填缝金属熔深方向加载热源以单层(方案一)、分割两层(方案二)、分割三层(方案三)进行对比。
焊缝加载热源按传统均匀分布形式(方案一)，熔池最高温度可达2219℃，但是，在焊缝底部温度未达到1500℃，熔池深度方向温度梯度过大，模型没有熔透。
焊缝热源加载沿着熔深方向均分两层(方案二)，总热输入按1:2的比例分配能量，温度沿熔深温度梯度较缓，焊缝底部的温度明显高于1500℃，但熔化金属范围较窄。
焊缝热源加载沿着熔深方向为三层(方案三，即本发明的方案)，总热输入按3:3:4的比例施加能量在上、中、下三层，在总热输入不变的前提下，总体温度梯度较小，在熔深方向上温度梯度均匀。焊缝底部的熔化金属较宽范围内温度在1500℃以上，基本熔透。改变熔池截面的热输入可以有效地控制熔深及熔池的温度分布。如附图4所示。
在沿着熔池深度方向将热输入分3层的基础上，将熔池长度方向热源载荷将单位时间填充长度切割为不同片数，采用以下三个方案进行模拟：不切割单片加载(方案一)，切割2片加载，且比例为1：1.5(方案二)，切割3片体加载，以比例为1：2：1加载热源(方案三，即本发明的方案)。
沿着焊接方向熔池长度方向加载单片单元(方案一)，相当于加载长度为每秒焊接速度，加载体积较大，温度明显低于实际焊接温度，熔长由于模拟时沿焊接方向加载单元过少，小于焊接时中熔池熔长，熔池宽度较小，熔池前方等温线梯度较大，误差较大。
沿着焊接方向熔池长度方向加载2片单元(方案二)，按着1：1的形式加载，整体热输入较单片加载单元有所提高，熔长随着加载单元的增加变长，热源模型尺寸超过熔池宽度尺寸，然而，熔池长度后托性明显不足。
沿着焊接方向熔池长度方向加载3片单元(方案三)，接近实际电弧弧柱直径，焊缝的最高温度区间明显提升，热输入所加载的体积与实际热加载区较为接近。熔长为6.3mm，熔宽为4.2mm。熔池宽度没有发生改变，熔长大幅度增大，更加接近实际。如图5所示。
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 (5)

1.一种基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法，其特征在于，包括：
获取目标焊接件模型；
基于目标焊接件模型建立焊缝模型；
将焊缝模型沿熔池深度方向及熔池长度方向划分为多个待加载体；
对每个待加载体分别加载体生热率热源模型，下层待加载体的体生热率大于或等于上层待加载体的体生热率；
提取体生热率热源模型加载后的目标焊接件模型模拟数据。
2.如权利要求1所述的基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法，其特征在于，体生热率采用以下公式计算：
Figure FDA0002277634610000011
其中，HGEN为体生热率；η为焊接热效率；U为电弧电压；I为焊接电流；v为焊速；S为加载的体单元面积；t为加载时间。
3.如权利要求1所述的基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法，其特征在于，所述焊缝模型中，熔池深度方向与熔池长度方向的尺寸比为10：4。
4.如权利要求1所述的基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法，其特征在于，将焊缝模型沿熔池深度方向按照截面面积3：3：4的比例、沿熔池长度方向按照截面面积2：1：2的比例切割分层得到待加载体。
5.如权利要求4所述的基于切片分割加载体的热源焊接模拟方法，其特征在于，沿熔池深度方向的待加载体的体生热率比为3：3：4，沿熔池长度方向的待加载体的体生热率比为1：2：1。
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