CN111914383A - 一种基于壳-实体耦合单元的t型结构激光焊接模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于壳‑实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法。所述方法包括第一步：建立T型结构的壳‑实体几何模型；第二步：根据几何模型建立其壳‑实体耦合网格模型；第三步：基于网格模型建立壳‑实体耦合单元的激光焊接有限元模型；第四步：对所建的焊接有限元模型进行仿真求解。本发明应用于焊接仿真领域，缩短了焊接建模与仿真中的时间，并可针对同结构不同厚度的T型结构进行高效准确建模仿真与参数优化，提高了整体的仿真效率。
Description
技术领域
本发明属于焊接仿真领域，特别涉及一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法。
背景技术
随着我国航空航天事业的飞速发展，具有高比强度、高服役寿命、良好减重性的铝锂合金大尺寸薄壁复杂结构得到大量采用，并在航空航天领域具有广泛的应用前景。T型结构双激光束双侧同步焊接技术作为机身壁板制造过程的重要技术，主要用于蒙皮-桁条T型连接结构。通过双激光束以一定的角度同步作用在T型结构的两个拐角处，形成两侧对称的联合焊缝，从而提高结构的力学性能。另外，T型结构双激光束双侧同步焊接技术能有效的缓解结构的变形问题，同时成功避免了传统的单面焊双面成型工艺对蒙皮表面完整性的破坏，因而具有极大的优越性。该种工艺已经在空中客车公司的A318、A340、A380等系列大型载人客机中得到了广泛采用，被认为是航空制造业中的一次技术革命。然而，目前国内尚未掌握机身壁板蒙皮-桁条T型结构双激光束双侧焊接的成熟工艺。
激光焊接薄壁结构的应力与变形控制是激光焊接生产中的关键环节。相比于传统研究中的“试错法”，焊接数值模拟方法节省了大量的人力物力。对T型结构采用壳-实体耦合单元的建模与仿真方法，可进一步缩短仿真求解的时间。并且可通过该方法对同结构不同厚度的T型结构进行不同焊接工艺参数下的模拟仿真，可高效精准的实现仿真与工艺参数优化，显著提高实际生产效率，缩短研发周期，降低研发成本，更能形成技术储备。
发明内容
针对于上述现有技术的不足，本发明提供一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法。将蒙皮-桁条T型结构远离焊缝区域采用壳单元代替实体单元，而保持焊缝处实体单元不变，进而减少整体焊接构件网格单元数量。与实体网格模型相比，该壳-实体耦合单元模型可在保证计算精度的同时显著提高计算效率，从而在节省试验成本、缩短产品研发周期、提高焊接质量的同时优化出合理的焊接工艺参数，以获取满足服役性能要求的高质量激光焊接构件。
为达到上述目的，本发明的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，包括步骤如下：
步骤一 建立T型结构激光焊接的壳-实体几何模型；
步骤二 建立T型结构激光焊接的壳-实体耦合网格模型。具体包括：划分焊缝区域的3D实体网格，蒙皮与桁条区域的2D薄壳网格，最后合为整个T型结构的耦合网格模型；
步骤三 建立T型结构激光焊接的壳-实体耦合单元有限元模型。具体过程包括：焊接路径、焊接初始条件、焊接边界条件、工况条件的设置；
步骤四 对所建模型进行焊接仿真求解。
优选地，根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤一中建立的几何模型，焊缝为三维实体，其余部分为二维薄壳面。其中，焊缝实体位于桁条壳面的两侧，并与该面重合。
优选地，根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤二中，采用有限元网格划分软件建立T型结构网格模型，采用网格过渡法减少网格数量。其中，实体单元部分采用八节点实体单元，壳单元部分采用四节点薄壳单元，并且壳单元与实体单元接触部分实现共节点耦合。
优选地，根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤三中的焊接初始条件包括环境温度、焊件初始温度及其应力状态。
优选地，根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤三中的焊接边界条件具体包括：
(1)换热边界条件。具体将对流与辐射系数转换成总的换热系数，并加载到模型的所有外表面；
(2)热源边界条件。具体通过Fortran语言实现组合激光热源(面热源+体热源)子程序的加载，其中面热源与体热源公式分别为：
其中，ΦS表示面热源热功率，ΦV表示体热源热功率，r表示热源作用位置与焊缝中心距离，α表示面热源能量集中系数，σ表示面热源作用半径，h表示加热位置与焊缝表面距离，β表示体热源能量集中系数，r0表示体热源作用半径，H表示体热源作用深度，m表示能量衰减系数；
(3)位移约束条件。具体通过约束X、Y、Z三个方向的自由度，模拟实际装夹条件。
优选地，根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤三中建立的有限元模型，具体的焊接路径、焊接初始条件、边界条件以及工况条件与三维实体有限元建模过程相同。
优选地，根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤四中对模型的仿真求解在有限元软件MSC.Marc中进行，对构件整个焊接过程的热-力耦合进行计算。
本发明的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，通过壳单元与实体单元共节点耦合，建立T型结构的网格模型并进行仿真求解，且可实现同结构不同厚度的T型结构的快速建模，可以更加全面地对不同厚度的相同焊接结构进行焊接残余应力和变形进行预测和控制，形成T型结构双激光束双侧同步焊接结构的应力和变形仿真的定量研究方法，在该领域具有显著的铺垫意义。
附图说明
图1为T型结构激光焊接仿真流程图；
图2为T型结构双激光束双侧同步焊接原理图；
图3为T型结构几何尺寸图；
图4为T型结构壳-实体几何模型；
图5为壳单元与实体单元的节点共格耦合示意图；
图6为T型结构壳-实体耦合单元网格模型图；
图7为T型结构的壳-实体耦合单元模型与实体单元模型的计算时间对比图；
图8为T型结构的壳-实体耦合单元模型与实体单元模型的仿真结果对比图；
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案进行详细地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，并非所有实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，本发明的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，具体流程如下：
首先根据待焊T型结构的几何尺寸，建立该结构的壳-实体几何模型，基于此模型划分T型结构的焊缝实体网格单元以及蒙皮与桁条的壳网格单元，从而建立最终的T型结构壳-实体耦合网格模型；随即将测量的材料参数施加于对应的网格单元。然后对该结构网格模型设定焊接的初始条件，包括环境温度、焊件温度及其初始应力状态。并根据设定的工艺参数创建对应的边界条件、载荷工况以及分析任务；最后进行仿真求解，并且对求解结果进行分析。
以下采用2mm厚度的T型结构的壳-实体耦合单元模型的双激光束双侧同步焊接仿真实例，并将计算结果与同条件下的该结构实体网格模型仿真结果(已验证)进行对比分析，详细阐述本发明的完整流程。图2为T型结构双激光束双侧同步焊接原理图。
首先根据如图3所示的待焊T型结构几何尺寸，建立对应的壳-实体几何模型，如图4所示。其中，焊缝区域为几何实体，其余部分为二维薄壳面。
然后建立T型结构的壳-实体耦合单元网格模型。具体地，对焊缝划分实体网格，对蒙皮与桁条划分壳单元网格。其中，对应的实体单元网格与壳单元网格的单元节点进行节点共格耦合，节点共格耦合示意图如图5所示。最终建立了该结构的壳-实体耦合单元网格模型，如图6所示。根据激光热源高速集中加热的特性，采用网格单元过渡的方式实现焊缝细小单元到远离焊缝较大单元的过渡，以此减少网格数量，提高计算效率。随后将测量的材料热物性参数建立与温度变化的关系，并以表格的形式导入模型中。再将焊前温度及环境温度等参数作为焊接初始条件加载到模型中，建立初步有限元仿真模型。随后加载焊接时的换热边界条件，位移约束条件以及通过Fortran子程序实现的激光热源边界条件，完善有限元模型的建立。
再根据被焊件的工艺参数创建焊接工况与分析任务，进行热-力耦合仿真求解，分析该耦合网格有限元模型的焊后残余应力及变形分布情况，并与已验证的该工艺参数下的实体网格有限元模型计算进行对比。具体地，对比该工艺参数下两种模型的计算总时间、焊接残余应力与焊后变形情况。图7为两种模型的仿真时间的对比图，左侧为壳-实体耦合单元模型计算时间7364s，右侧为实体单元模型计算时间25333s。由其可知采用壳-实体耦合单元模型的计算时间显著少于实体单元模型的计算时间，仅为后者的29％左右。
图8为两种模型热-力耦合分析的焊接残余应力与变形结果。对比两图可知，采用壳-实体耦合单元模型的仿真结果与实体模型的结果仅存在微小差异，前者的残余应力计算结果为427.8MPa，而后者为447.7MPa。两者的残余应力分布规律一致，高应力区都集中在焊缝处。再分析两者的变形结果，前者的焊后变形计算结果为1.11mm，后者为1.179mm。其变形分布规律也几乎一致，主要变形存在于桁条部分，最大变形主要分布在桁条边缘处。可见，采用壳-实体耦合单元模型相对于实体单元模型可在保证计算精度的同时有效提高计算效率。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一 建立T型结构激光焊接的壳-实体几何模型；
步骤二 建立T型结构激光焊接的壳-实体耦合网格模型。具体包括：划分焊缝区域的3D实体网格，蒙皮与桁条区域的2D薄壳网格，最后合为整个T型结构的耦合网格模型；
步骤三 建立T型结构激光焊接的壳-实体耦合单元有限元模型。具体过程包括：焊接路径、焊接初始条件、焊接边界条件、工况条件的设置；
步骤四 对所建模型进行焊接仿真求解。
2.根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤一中建立的几何模型，焊缝为三维实体，其余部分为二维薄壳面。其中，焊缝实体位于桁条壳面的两侧，并与该面重合。
3.根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤二中，采用有限元网格划分软件建立T型结构网格模型，采用网格过渡法减少网格数量。其中，实体单元部分采用八节点实体单元，壳单元部分采用四节点薄壳单元，并且壳单元与实体单元接触部分实现共节点耦合。
4.根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤三中的焊接初始条件包括环境温度、焊件初始温度及其应力状态。
5.根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤三中的焊接边界条件具体包括：
(1)换热边界条件。具体将对流与辐射系数转换成总的换热系数，并加载到模型的所有外表面；
(2)热源边界条件。具体通过Fortran语言实现组合激光热源(面热源+体热源)子程序的加载，其中面热源与体热源公式分别为：
其中，ΦS表示面热源热功率，ΦV表示体热源热功率，r表示热源作用位置与焊缝中心距离，α表示面热源能量集中系数，σ表示面热源作用半径，h表示加热位置与焊缝表面距离，β表示体热源能量集中系数，r0表示体热源作用半径，H表示体热源作用深度，m表示能量衰减系数；
(3)位移约束条件。具体通过约束X、Y、Z三个方向的自由度，模拟实际装夹条件。
6.根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤三中建立的有限元模型，具体的焊接路径、焊接初始条件、边界条件以及工况条件与三维实体有限元建模过程相同。
7.根据权利要求1所述的一种基于壳-实体耦合单元的T型结构激光焊接模拟方法，其特征在于，上述步骤四中对模型的仿真求解在有限元软件MSC.Marc中进行，对构件整个焊接过程的热-力耦合进行计算。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116787012A (zh) * | 2023-06-27 | 2023-09-22 | 中国航空制造技术研究院 | 一种高效低成本带筋整体板坯的制备方法 |
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| CN107330181A (zh) * | 2017-06-28 | 2017-11-07 | 上海交通大学 | 预测激光焊接变形量的实现方法 |
| CN109063248A (zh) * | 2018-06-26 | 2018-12-21 | 广东工业大学 | 一种用于激光冲击强化的气-液-固耦合计算方法 |
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