CN112836398A - 一种构件焊接顺序规划方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种构件焊接顺序规划方法，包括：1得到所述焊缝横截面的纵向固有应变和横向固有应变总和；2建立大构件固有应变数据库；3建立构件的三维模型；4将三维模型导入有限元软件，并施加材料基本属性；在焊缝区域中施加各向异性的线膨胀系数；5在所述焊缝区域施加温度场，经过一次弹塑性计算即可得到该焊接顺序下的焊接变形；6通过改变施加温度场的顺序，得到不同施加温度场顺序下的焊接变形，选择焊接变形最小值所对应的施加温度场顺序为所述构件焊接顺序。该方法计算速度大幅提升，与传统弹性固有应变有限元法相比，可以考虑焊接顺序对焊接变形的影响。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种构件焊接顺序规划方法。
背景技术
在铁路车辆、港口船舶、工程机械等行业，焊接制造方法被广泛采用，但这些构件尺寸一般都较大，产生焊接变形后的变形矫正困难，而焊接顺序的不同对焊接变形又有着较大影响。因此在焊接之制造之前对焊接变形进行预测是很有必要的。目前数值模拟方法是预测焊接变形的主要方法，主要有热弹塑性有限元法和弹性固有应变法，但由于构件尺寸较大，计算机容量有限，热弹塑性有限元法运算时间长，成本高；而弹性固有应变法无法研究焊接顺序对焊接变形的影响。因此需要研究新的方法来快速精确的预测不同焊接顺序对大构件焊接变形的影响。
传统弹性固有应变法是在焊接接头固有应变区域施加各向异性的线膨胀系数，在计算迭代过程中，给固有应变区域施加温度场来使焊缝区产生相应的变形。整个计算过程相当于一次弹性变形计算，无论怎样改变焊接顺序，对于弹性计算来说结果都是一样的，无法考虑焊缝顺序对焊接变形的影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种构件焊接顺序规划方法，该方法，引入了参考温差和屈服强度的弹塑性固有应变有限元法，运算时间大大缩短，显著降低工程应用中的计算时间成本，并可以研究不同焊接顺序对焊接变形的影响。
一种构件焊接顺序规划方法，包括以下步骤：
步骤1，统计构件中的不同类型的接头形式，采用热弹塑性有限元法分析各种类型接头的焊接过程，提取热弹塑性分析结果中焊缝横截面，将所述焊缝横截面的纵向和横向残余塑变对其单元面积进行积分，即得到所述焊缝横截面的纵向固有应变和横向固有应变总和；
步骤2，建立大构件固有应变数据库，其中包括步骤1得到的所述焊缝横截面的纵向固有应变和横向固有应变；
步骤3，建立所述构件的三维模型，并划分网格，在划分网格时非焊缝区域的单元尺寸是焊缝区域的单元尺寸的3～5倍；
步骤4，将所述三维模型导入有限元软件，并施加材料基本属性；在焊缝区域中施加各向异性的线膨胀系数，除所述焊缝区域外的其它区域线膨胀系数设为0；
其中所述线膨胀系数的计算方法如式(Ⅰ)
ε＝α×△T
其中ε为步骤1中所得的固有应变，α为线膨胀系数，△T为温度载荷，如果将△T设为单位温度载荷，则α在数值上就等于固有应变；
步骤5，在所述焊缝区域施加温度场，这里施加温度场的顺序代表了焊接顺序，经过一次弹塑性计算即可得到该焊接顺序下的焊接变形；
步骤6，通过改变施加温度场的顺序，得到不同施加温度场顺序下的焊接变形，选择焊接变形最小值所对应的施加温度场顺序为所述构件焊接顺序。
上述技术方案中，所述步骤4，焊缝的纵向固有应变和横向固有应变对应的线膨胀系数以焊接方向为参考进行设置。
上述技术方案中，所述步骤4，焊缝的纵向固有应变和横向固有应变的符号应与温度载荷值符号相反。
上述技术方案中，所述步骤4，不存在固有应变的方向和区域，其线膨胀系数应取为零。
上述技术方案中，所述步骤4，所述材料基本属性至少包括：密度，泊松比，杨氏模量，材料常温屈服强度。
上述技术方案中，所述焊缝区域，为矩形区域。
本发明的优点和有益效果为：
热弹塑性有限元法具有较高的准确性，但计算复杂，耗费时间长，而传统固有应变有限元法计算简单，耗费时间短，但是一般难以分析焊接顺序的影响。本发明提出的弹塑性固有应变有限元法在步骤4中引入了材料的室温屈服强度，兼顾了温度场以及各向异性线膨胀系数的影响。与现有的热弹塑性有限元法和传统固有应变有限元法相比，它不但可分析焊接顺序对焊接变形的影响，同时还极简化了计算量，具有较高的精度。特别适用于长宽高中的某一维度超过20m的构建中，尤其是是构件尺寸大，空间结构复杂，要求加工过程中精确控制变形量的情况下。
附图说明
图1为实施例1步骤(1)中的双腹板模型图。
图2中实施例1中步骤6提取两种方案变形量时的路径示意图。
图3为实施例1两种焊接顺序方案得到的变相量对比图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
一种基于弹塑性固有应变有限元法的构件焊接顺序规划方法，通过在传统弹性固有应变有限元法中引入屈服强度，可以研究不同焊接顺序对整体构件焊接变形的影响，可作为焊接顺序规划的参考，在保证预测精度的前提下减少运算时间节约成本。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例为底板上有两个腹板的双腹板模型，采用弹塑性固有应变有限元法，分析两个焊缝的焊接先后顺序对整体构件焊接变形的影响。具体按照以下步骤进行。
建立双腹板模型(长500mm，高350mm，底板厚度12mm，两个腹板厚度10mm)，分割出固有应变施加区域即焊缝区域，进行前处理划分网格。将两道焊缝命名为焊缝1和焊缝2。焊接顺序方案一：先焊接焊缝1，后焊接焊缝2；焊接顺序方案二：先焊接焊缝2，后焊接焊缝1。
(1)建立固有应变数据库。该双腹板模型中有两个接头，但类型相同，都为底板厚度12mm，腹板厚度10mm的T型接头，采用热弹塑性分析法计算该种T型接头的焊后变形，提取焊缝横截面，将焊缝横截面各个单元的纵向和横向残余塑变进行积分，即得到焊缝区域纵向固有应变和横向固有应变总和，建立双腹板模型固有应变数据库。
(2)在模型中施加材料的基本属性，包括但不限于密度，泊松比，杨氏模量，材料常温屈服强度等。.
(3)在焊缝区域中施加各向异性的线膨胀系数，其中线膨胀系数的计算方法如前所述。除焊缝区域外的其它区域线膨胀系数设为0。
(4)在焊缝区域按时间顺序施加温度场，首先进行焊接顺序方案一，提交计算，经过一次弹塑性计算得到焊接变形，计算时间约为1分钟。
(5)调整温度场施加时间顺序，进行焊接顺序方案二的模拟，经过一次弹塑性计算得到焊接变形，计算时间约为1分钟。
(6)比较两种方案的比较两种方案的挠度计算结果数据，从图3当中可以看出，方案一的总体焊接变形更小，则得到该构件最佳的焊接顺序为：先焊接焊缝1，再焊接焊缝2。
现有的计算构件焊接变形的有限元法主要有两种方法：热弹塑性有限元法和传统固有应变有限元法。热弹塑性有限元法的特点是计算精确，可以考虑焊接顺序对焊接变形的影响，但是计算耗时长，时间成本高；传统固有应变有限元法特点是计算速度快，但是不能考虑焊接顺序对焊接变形的影响。通过本实施例，证明了本发明所提出的弹塑性固有应变有限元法，在快速获得计算结果的同时，又可以考虑焊接顺序对焊接变形的影响。与现有的两种计算方法相比，本发明所提出的弹塑性固有应变有限元法可以应用于大尺寸构件的焊接顺序规划工作中，例如港口机械的大部件，尺寸大多在20m～100m之间，尺寸大且空间结构复杂，热弹塑性有限元法在计算这种模型时计算用时过长，甚至无法计算，传统固有应变有限元法又无法考虑焊接顺序对焊接变形的影响，本发明所提出的新方法可以快速获得不同焊接顺序下的焊接变形，从而对大构件的焊接顺序规划给出参考意见。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种构件焊接顺序规划方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，统计构件中的不同类型的接头形式，采用热弹塑性有限元法分析各种类型接头的焊接过程，提取热弹塑性分析结果中焊缝横截面，将所述焊缝横截面的纵向和横向残余塑变对其单元面积进行积分，即得到所述焊缝横截面的纵向固有应变和横向固有应变总和；
步骤2，建立大构件固有应变数据库，其中包括步骤1得到的所述焊缝横截面的纵向固有应变和横向固有应变；
步骤3，建立所述构件的三维模型，并划分网格，在划分网格时非焊缝区域的单元尺寸是焊缝区域的单元尺寸的3～5倍；
步骤4，将所述三维模型导入有限元软件，并施加材料基本属性；在焊缝区域中施加各向异性的线膨胀系数，除所述焊缝区域外的其它区域线膨胀系数设为0；
其中所述线膨胀系数的计算方法如式(Ⅰ)
ε＝α×△T
其中ε为步骤1中所得的固有应变，α为线膨胀系数，△T为温度载荷，如果将△T设为单位温度载荷，则α在数值上就等于固有应变；
步骤5，在所述焊缝区域施加温度场，这里施加温度场的顺序代表了焊接顺序，经过一次弹塑性计算即可得到该焊接顺序下的焊接变形；
步骤6，通过改变施加温度场的顺序，得到不同施加温度场顺序下的焊接变形，选择焊接变形最小值所对应的施加温度场顺序为所述构件焊接顺序。
2.根据权利要求1所述的构件焊接顺序规划方法，其特征在于，所述步骤4，焊缝的纵向固有应变和横向固有应变对应的线膨胀系数以焊接方向为参考进行设置。
3.根据权利要求1所述的构件焊接顺序规划方法，其特征在于，所述步骤4，焊缝的纵向固有应变和横向固有应变的符号应与温度载荷值符号相反。
4.根据权利要求1所述的构件焊接顺序规划方法，其特征在于，所述步骤4，不存在固有应变的方向和区域，其线膨胀系数应取为零。
5.根据权利要求1所述的构件焊接顺序规划方法，其特征在于，所述步骤4，所述材料基本属性至少包括：密度，泊松比，杨氏模量，材料常温屈服强度。
6.根据权利要求1所述的构件焊接顺序规划方法，其特征在于，所述焊缝区域，为矩形区域。
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| CN107239591A (zh) * | 2017-04-17 | 2017-10-10 | 中国核工业华兴建设有限公司 | 一种核电大型结构焊接变形预测分析方法及其系统 |
| CN109766663A (zh) * | 2019-01-31 | 2019-05-17 | 中国石油大学(华东) | 一种超大型压力容器超长焊缝焊接残余应力与变形高效计算处理方法 |
| CN109926767A (zh) * | 2019-02-26 | 2019-06-25 | 中国石油大学(华东) | 超大结构的焊接残余应力及变形的集成计算方法 |
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| 姚熊亮等: "球面艏端隔壁结构焊接变形研究", 《哈尔滨工程大学学报》 * |
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