CN114943121B - 一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法 - Google Patents

一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法，建立二维高温合金线性摩擦焊模型；使用蠕变拉伸模型通过直接赋值法产生残余应力，并施加载荷进行蠕变实验。本发明通过MATLAB图像轮廓识别方法将应力云图转换成更加清晰应力等值图，通过对于MATLAB算子阈值的调整，使得应力分区圆滑，避免了部分分区划分复杂导致网格质量不佳对计算结果产生影响，使网格对计算结果的影响降到最低，为网格最优化设计提供了一种思路；本发明得到了一种较为准确计算线性摩擦焊接头蠕变行为的有限元模型，有效地预测了焊后残余应力对蠕变孕育期的影响，为焊接接头的蠕变行为的研究打下了基础。

Description

一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法
技术领域
本发明属于固相焊接与蠕变数值模拟领域，是一种焊接与蠕变实验顺序结合的有限元模拟方法，涉及航空航天用高温合金线性摩擦焊过程宏观变形温度场和应力场演变及线性摩擦焊接头拉伸蠕变过程的研究。具体为一种通过直接赋值法引入残余应力的摩擦焊增材件蠕变孕育期预测的顺序模拟方法。
背景技术
线性摩擦焊是一种固相连接技术，具体为两个焊件作相对往复高频振动，依靠接触面摩擦产热，软化接触面金属，从而在顶锻力作用下完成固态连接。高温合金作为航空发动机涡轮、叶盘及燃烧室等部件的重要材料，具有优越的持久性能和疲劳性能。线性摩擦焊是高温合金整体叶盘成形的重要技术，具有焊前、焊后辅助清理工作较少，接头质量优于传统熔焊，材料利用率高等优点。线性摩擦焊接过程中存在非均匀塑性变形、温度场演变及金属相变，接头表面和内部会产生较大的残余应力，对焊接零部件的服役寿命造成重大不利的影响。
在高温环境下,金属结构蠕变断裂是其失效的主要形式之一。工程中，30％左右的锅炉和重型装备中的管道失效均是由蠕变断裂导致的。天津大学徐连勇等人(徐连勇,邬栋权,荆洪阳,韩永典,赵雷,吕小青.稳态蠕变条件下含残余应力的蠕变孕育期预测方法.CN108732032B)提出了一种稳态蠕变条件下含残余应力的蠕变孕育期预测方法，其设计方法能够将原有的预测模型扩展成含有残余应力的模型中，但对于不同模型无法进行扩展。本发明提出了一种可以将不同模型中的残余应力引入金属蠕变拉伸模型，可以更加准确完整研究模型的蠕变行为。
本发明将线性摩擦焊工艺的模拟和金属蠕变拉伸试样蠕变的模拟按照先后顺序结合，通过对金属蠕变拉伸试样进行分区处理和分区赋予残余应力，对线性摩擦焊接头的蠕变行为进行模拟，为研究残余应力对蠕变行为的影响提供了一种新的思路。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法，首先进行高温合金线性摩擦焊的模拟，随后在其模拟结果的基础上进行金属蠕变拉伸试样蠕变过程的模拟，最终得到了一种较为准确计算线性摩擦焊接头蠕变行为的有限元模型，有效地预测了焊后残余应力对蠕变寿命的影响，为焊接接头的蠕变行为的研究打下了基础。
技术方案
一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、确定高温合金线性摩擦焊焊件及金属蠕变拉伸试样的尺寸：
根据国标GB/T 2039-2012《金属材料.单轴拉伸蠕变试验方法》的要求确定金属蠕变拉伸试样的尺寸范围，并根据金属蠕变拉伸试样的尺寸确定线性摩擦焊焊件的尺寸，尺寸确定原则以焊接接头中切取完整的金属蠕变拉伸试样；
步骤2、建立高温合金线性摩擦焊模型：
在有限元模拟软件ABAQUS中建立高温合金线性摩擦焊几何模型，其中相互摩擦的两个焊件中的一个焊件以刚体代替，对可变形体按夹持区域进行分区处理，包括接触面近邻的变形区，中间区以及末端夹具夹持区域；
在材料属性模块设置线性摩擦焊焊件的材料属性参数，在分析步模块建立所需时间的热-力耦合分析的分析步，在接触模块设置焊件之间接触摩擦参数，在载荷模块设置焊接参数，包括焊接压力、振动频率、振幅及焊接时间，设置边界条件和初始温度场，在网格模块设置网格属性并根据边界条件划分网格几个部分；
在任务模块提交任务计算，获得高温合金线性摩擦焊模型计算结果，在可视化模块中运用查询功能，在各个应力区域各选择一个单元，获取其应力数值，代表云图中各区的应力；
步骤3、确定金属蠕变拉伸试样选取位置：
在步骤2中得到的接头残余应力云图中进行图像保存，并在图像中截取2个应力集中区域，通过MATLAB运用编写的Kirsch算子对截取的应力集中区域进行图像轮廓识别，得到应力等值线图；利用光栅图像功能将应力等值图导入绘图软件UG绘制出云图草图，绘制完成后保存为iges文件；
步骤4、建立金属蠕变拉伸试样模型：
在有限元分析软件ABAQUS中导入步骤3的iges文件建立具有分区的金属蠕变拉伸试样几何模型，然后设置材料属性、创建粘性分析步、设置加载方式及边界条件、设置预定义场即残余应力的赋予、设置网格属性并划分网格和提交作业并进行分析，获得含有残余应力的金属蠕变拉伸模型；
在载荷模块将残余应力的预定义场取消，在任务模块重新提交作业并进行分析，获得不含有残余应力的金属蠕变拉伸模型，用以预测残余应力对于金属蠕变拉伸样的影响。
所述金属蠕变拉伸试样的尺寸的要求试样的原始横截面积So不小于7mm2且原始标距Lo大于等于50mm，故选取a＝4mm，b＝15mm，Lo＝100mm，Lc＝116mm，Lro＝242mm，R＝12mm，保证了尺寸的合规，线性摩擦焊可变形体焊件的尺寸取值为40mm×120mm，保证可以从焊接接头中切取完整的金属蠕变拉伸试样；其中a为矩形横截面的厚度，b为矩形横截面试样平行段横截面的宽度，Lo为原始标距，Lc为平行长度，Lro为原始参考长度，R为过渡弧半径。
有益效果
本发明提出的一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法，包括：建立二维高温合金线性摩擦焊模型，包括焊接过程及焊后冷却阶段，最后得到焊后焊接接头的残余应力分布云图，并提取应力数据；使用蠕变拉伸模型通过直接赋值法产生残余应力，并施加载荷进行蠕变实验。本发明通过MATLAB图像轮廓识别方法将应力云图转换成更加清晰应力等值图，通过对于MATLAB算子阈值的调整，使得应力分区圆滑，避免了部分分区划分复杂导致网格质量不佳对计算结果产生影响，使网格对计算结果的影响降到最低，为网格最优化设计提供了一种思路；本发明首先进行高温合金线性摩擦焊的模拟，随后在其模拟结果的基础上进行金属蠕变拉伸试样蠕变过程的模拟，最终得到了一种较为准确计算线性摩擦焊接头蠕变行为的有限元模型，有效地预测了焊后残余应力对蠕变孕育期的影响，为焊接接头的蠕变行为的研究打下了基础。
本发明首先进行高温合金线性摩擦焊的模拟，随后在其模拟结果的基础上进行金属蠕变拉伸试样蠕变试验的模拟，最终得到了一种较为准确计算线性摩擦焊接头含有残余应力的金属蠕变拉伸试样的有限元模型，有效地预测了焊后残余应力对金属蠕变拉伸试样蠕变行为的影响。该模拟方法可以广泛应用于各种焊接方法所得接头蠕变行为的预测，为焊接接头的可靠性研究提供了一种新思路。
采用分区赋值法可以将不同模型的残余应力都赋值到预测模型中，使得模型的应用范围变广；利用MATLAB对应力云图进行图像廓识别，让应力分区更加的清晰，在进行UG分区时便于人工操作减小误差；同时可以在MATLAB中通过对于算子阈值的调整，使得应力分区圆滑，避免了部分分区划分复杂导致网格质量不佳对计算结果产生影响，使网格对计算结果的影响降到最低，为网格最优化设计提供了一种思路。
本发明以已完成分区的金属蠕变拉伸试样为基础，将含有和不含有残余应力的金属蠕变拉伸试样进行对比，在没有ABAQUS网格干扰下研究了残余应力对于线性摩擦焊接头蠕变行为的影响。
附图说明
图1：截取的应力云图区域示意图
图2：为MATLAB图像识别后的应力等高线云图
图3：金属蠕变拉伸试样示意图
图4：分析金属蠕变拉伸试样施力示意图
图5：分析金属蠕变拉伸试样应力分区示意图
图6：为分析金属蠕变拉伸试样蠕变初始状态和终态
(a)无残余应力初态
(b)有残余应力初态
(c)无残余应力初态
(d)有残余应力初态
图7：分析金属蠕变拉伸试样蠕变曲线
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
一种线性摩擦焊接头残余应力及其金属蠕变拉伸试样蠕变过程的顺序模拟方法，其特征是所述模拟方法是在ABAQUS、MATLAB、UG软件中按照如下步骤进行：
步骤1：确定高温合金线性摩擦焊焊件及金属蠕变拉伸试样的尺寸
此步骤为根据国标GB/T 2039-2012《金属材料.单轴拉伸蠕变试验方法》的要求确定金属蠕变拉伸试样的尺寸范围，并根据金属蠕变拉伸试样的尺寸确定线性摩擦焊焊件的尺寸，保证金属蠕变拉伸试样可以从焊接接头中顺利取出。根据国标可知金属蠕变拉伸试样中要求试样的原始横截面积(So)不小于7mm2且原始标距(Lo)大于等于50mm，故选取a＝4mm，b＝15mm，Lo＝100mm，Lc＝116mm，Lro＝242mm，R＝12mm，保证了尺寸的合规，线性摩擦焊可变形体焊件的尺寸取值为40mm×120mm，保证可以从焊接接头中切取完整的金属蠕变拉伸试样。
步骤2：建立高温合金线性摩擦焊模型
所述步骤主要包括在有限元模拟软件ABAQUS中建立高温合金线性摩擦焊几何模型，由于线性摩擦焊工艺是由对称夹持的两个焊件相互摩擦而成，有对称的特性，因此为了减少计算量，本专利将其中一个焊件用刚体代替。
本专利采用的高温合金线性摩擦焊几何模型为2D模型，在部件模块建立一个可变形体模型和一个刚体模型(用来代替另一个焊件)，并对可变形体按夹持区域尺寸进行分区处理，包括接触面近邻的大变形区，中间区以及末端夹具夹持区域；
在材料属性模块设置线性摩擦焊焊件的材料属性参数，在分析步模块建立适合热-力耦合分析的分析步，在接触模块设置焊件之间接触摩擦参数，在载荷模块设置焊接参数，包括焊接压力、振动频率、振幅及焊接时间，设置边界条件和初始温度场，在网格模块设置网格属性并划分网格几个部分。
在任务模块提交任务计算，获得高温合金线性摩擦焊模型计算结果，在可视化模块中运用查询功能，在各个应力区域各选择一个单元，获取其应力数值，代表云图中各区的应力。
步骤3：确定金属蠕变拉伸试样选取位置，截取应力云图，运用MATLAB获得应力等值线图，并在UG绘图软件中绘制应力云图草图。
所述步骤包括金属蠕变拉伸试样位置的选取，在接头残余应力云图中截取2个区域，通过MATLAB运用编写的Kirsch算子进行图像轮廓识别，得到应力等值线图；利用光栅图像功能将应力等值图导入绘图软件UG绘制出云图草图，绘制完成后保存为iges文件。
步骤4：建立金属蠕变拉伸试样模型
所述步骤包括在有限元分析软件ABAQUS中导入步骤3的iges文件建立具有分区的金属蠕变拉伸试样几何模型、设置材料属性、创建合适的分析步、设置加载方式及边界条件、设置预定义场(残余应力的赋予)、设置网格属性并划分网格和提交作业并进行分析，获得含有残余应力的金属蠕变拉伸模型。
在载荷模块将残余应力的预定义场取消，在任务模块重新提交作业并进行分析，获得不含有残余应力的金属蠕变拉伸模型。
具体实施例：
计算高温合金线性摩擦焊接头蠕变拉伸试样在有无残余应力的情况下的蠕变行为，本实施例子的具体方法包括以下步骤：
步骤1建立高温合金线性摩擦焊模型
在part模块建立几何模型，本专利采用的高温合金线性摩擦焊几何模型为2D模型，在part模块建立一个可变形体模型(40mm×120mm)和一个刚体模型(用来代替另一个焊件)，并对可变形体按夹持区域尺寸进行分区处理，包括接触面近邻的大变形区，中间区以及末端夹具夹持区域；
在property模块设置焊件材料属性：弹性属性(杨氏模量和泊松比)与温度相关具体参数见表1；塑性属性，本发明选用Johnson-Cook本构模型，A为860MPa，B为110MPa，n为0.5，m为1.05，Tm为1300℃、Tr为25℃(其中A,B,n,m为材料参数，Tm为材料熔点，Tr为材料转变温度)；硬化参数(选用Johnson-Cook硬化模型)、密度为8240kg/m3、热导率及比热见表2和表3，用以表征高温合金，将材料属性赋予可变形体焊件模型；
在assembly模块将可变形体焊件和刚体焊件装配，使两焊件模型相互接触；
在step模块创建分析步并设置输出量：考虑应力释放情况，本步骤创建两个连续的分析步，分析步1命名为welding，选用温度-位移耦合的动态显示分析步，分析步时长设置为3s，并设置质量缩放的参数为10000，用来模拟焊接过程；分析步2命名为cooling，选用温度-位移耦合的动态显示分析步，时长设置为240s，用来模拟焊后冷却过程；在other功能栏中设置ALE自适应网格属性，频率选择1，每个增量步允许重新绘制网格次数设置为50次，并对接触面附近的大变形区赋予ALE属性；
在interaction模块创建接触关系：包括法向行为和切向行为，其中切向行为设置滑动摩擦系数，勾选与温度相关选项，表征两个焊件在焊接过程中摩擦系数是随温度变化的，具体参数见表4；法向行为设置为硬接触，将接触关系赋予焊件的接触面；设置焊件模型中与夹具夹持的范围，第一个分析步中，焊件按照与空气接触和与夹具接触，分区设置焊件与环境的传热方式和系数，焊件与空气的换热系数为30W/(m2·K)；由于采用二维模型，并将夹具进行简化，即在part步未绘制夹具模型，所以焊件与夹具接触部分无法设置热传导，这里将焊件与夹具之间的传热方式用对流方式代替，换热系数为1000W/(m2·K)，第二个分析步中，焊件已经取出，模型的换热系数均为与空气接触时的数值；
在load模块设置焊接工艺参数：包括在载荷功能处设置顶锻力，加载在可变形体的底部；在预定义场功能中设置材料的初始温度为25℃；第一个分析步中，在边界条件功能中为刚体焊件设置位移/转角约束，保证焊件仅在X方向振动，振动的加载选择周期型幅值作为加载方式，对可变形体焊件夹持区域设置位移/转角约束，保证焊件仅能够在Y方向产生位移。第二个分析步中，关闭前面的位移/转角约束，模型保持静止；
在mesh模块设置网格属性并划分网格：单元类型选择温度-位移耦合的CPE4RT四节点双线性位移-温度耦合平面应变四边形单元，并勾选减缩积分和沙漏控制，对可变形体划分网格时采用从焊件末端到接触面一端逐渐细化的划分方式，此种方法可以使模型更容易收敛。
在job模块提交作业并进行分析，得到焊接接头形状的宏观变化和应力云图，在各区中选取一个单元，获取其应力数值，代表云图中各区的应力。
步骤2建立具有应力分区的金属蠕变拉伸模型
在可视化模块中截取应力云图，通过MATLAB进行图像轮廓识别，再对金属蠕变拉伸试样位置的选取，在接头残余应力云图中截取2个区域，具体位置见图1，并利用光栅功能导入到UG绘图软件中绘制应力云图草图。
在可视化模块中将应力云图另存为PNG文件，命名为“stess.png”，将图片复制到MATLAB的工作路径中，打开MATLAB软件。
在MATLAB编写Kirsch算子进行图像轮廓识别，Kirsch算子的具体内容为：
运行结束后在工作区打开“BW”的数据，运用MATLAB的绘图功能选择MATLAB散点图中的“spy”得到背景颜色为白色的应力等值图，见图2，在其中截取15×100mm的2个应力集中的区域矩形分区作为金属蠕变拉伸试样蠕变过程的初始残余应力，以应力集中区为试样中部；将2个分区截图分别用光栅图像功能导入UG绘图软件，并依据云图进行草图绘制，绘制完成后保存为iges文件；
步骤3进行有残余应力参与下的金属蠕变拉伸试样模型蠕变试验
在part模块建立金属蠕变拉伸试样的几何模型，尺寸选取为a＝4mm，b＝15mm，Lo＝100mm，Lc＝116mm，Lro＝242mm，R＝12mm，具体尺寸见图3，应用分区-草图功能将步骤2所得草图iges文件导入；
在property模块定义材料属性参数，选择弹性属性，杨氏模量为215GPa，泊松比为0.29；选择蠕变属性，法则选择“时效硬化”幂法则乘数为3.4632E-7，等效应力阶次为0.9421，时间阶次为-0.6792；
在assembly模块装配模型，并将模型设为独立；
在step模块创建静力通用分析步1，时间设为1s；增量设置为自动类型，初始增量歩设为0.01，最小增量歩设为1E-9，最大增量歩设为1，其余设置保持默认；创建分析步2：选择粘性分析步，分析步时长设为36000，在自动稳定中选择“指定耗散能分数”，初始增步量设为1，最小增量步设为1E-20，最大增量步设为1000；勾选场输出中的S、U、PHILSM、PSILSM、SDEG及STATUSXFEM；历程输出的ALLAE、ALLCD、ALLFD、ALLIE、ALLPD；
在load模块设置载荷与边界条件，对金属蠕变拉伸试样的夹持端施加一个拉伸的压强，数值为550Mpa，示意图如附图4。限制试样另一个夹持端的位移和转动；利用Predefined Field Manager功能直接分区键入应力，本发明简单分成2个区域，1为夹持端区域，2为残余应力分布区域，区域的划分如附图5所示。其中区域1为夹持区域，数值固定，设为S11＝-4.4E7Pa，S22＝-1.2E8Pa，S33＝4.86E7Pa，S12＝2E7Pa；区域2为残余应力分布区域，其数值设置如表5所示。
在mesh模块中设置网格属性及划分网格，金属蠕变拉伸试样的夹持端位置采用四节点线性平面应力四边形单元，采用沙漏控制和减缩积分CPS4R，而中间拉伸段位置采用CPS4，关闭减缩积分以提高计算精度。全局尺寸设为4mm，金属蠕变拉伸试样中间拉伸段位置的网格尺寸设为1mm；
在job模块提交作业，获得含有残余应力条件下的蠕变试样计算结果，见图6、7；
步骤4进行没有残余应力参与下的金属蠕变拉伸试样模型蠕变试验
步骤3的原有模型中，在load模块中通过Predefined Field Manager功能将定义的残余应力全部取消；
在job模块重新提交作业进行分析，获得不含有残余应力条件下的的蠕变试样计算结果，见图6。
表1为选用的高温合金的弹性属性参数
杨氏模量(Pa) 泊松比 温度(℃)
205000000000 0.3 20
201000000000 0.3 100
196000000000 0.3 200
189000000000 0.3 300
183000000000 0.31 400
176000000000 0.31 500
169000000000 0.32 600
164000000000 0.34 700
表2为选用的高温合金传导率属性参数
表3为选用的高温合金比热属性参数
比热(J/(kg·℃)) 温度(℃)
481.4 300
493.9 400
514.8 500
539 600
573.4 700
615.3 800
657.2 900
707.4 1000
表4选用的高温合金切向行为设置滑动摩擦系数
摩擦系数 温度(℃)
0.577 20
0.577 200
0.577 400
0.577 600
0.577 800
0.577 1000
0.35 1200
0.1 1350
0.05 1400
0 1500
0 1700
表5直接赋值法中采用的应力数值

Claims (2)

1.一种引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法，其特征在于步骤如下：
步骤1、确定高温合金线性摩擦焊焊件及金属蠕变拉伸试样的尺寸：
根据国标GB/T 2039-2012《金属材料.单轴拉伸蠕变试验方法》的要求确定金属蠕变拉伸试样的尺寸范围，并根据金属蠕变拉伸试样的尺寸确定线性摩擦焊焊件的尺寸，尺寸确定原则以焊接接头中切取完整的金属蠕变拉伸试样；
步骤2、建立高温合金线性摩擦焊模型：
在有限元模拟软件ABAQUS中建立高温合金线性摩擦焊几何模型，其中相互摩擦的两个焊件中的一个焊件以刚体代替，对可变形体按夹持区域进行分区处理，包括接触面近邻的变形区，中间区以及末端夹具夹持区域；
在材料属性模块设置线性摩擦焊焊件的材料属性参数，在分析步模块建立所需时间的热-力耦合分析的分析步，在接触模块设置焊件之间接触摩擦参数，在载荷模块设置焊接参数，包括焊接压力、振动频率、振幅及焊接时间，设置边界条件和初始温度场，在网格模块设置网格属性并根据边界条件划分网格几个部分；
在任务模块提交任务计算，获得高温合金线性摩擦焊模型计算结果，在可视化模块中运用查询功能，在各个应力区域各选择一个单元，获取其应力数值，代表云图中各区的应力；
步骤3、确定金属蠕变拉伸试样选取位置：
在步骤2中得到的接头残余应力云图中进行图像保存，并在图像中截取2个应力集中区域，通过MATLAB运用编写的Kirsch算子对截取的应力集中区域进行图像轮廓识别，得到应力等值线图；利用光栅图像功能将应力等值图导入绘图软件UG绘制出云图草图，绘制完成后保存为iges文件；
步骤4、建立金属蠕变拉伸试样模型：
在有限元分析软件ABAQUS中导入步骤3的iges文件建立具有分区的金属蠕变拉伸试样几何模型，然后设置材料属性、创建粘性分析步、设置加载方式及边界条件、设置预定义场即残余应力的赋予、设置网格属性并划分网格和提交作业并进行分析，获得含有残余应力的金属蠕变拉伸模型；
在载荷模块将残余应力的预定义场取消，在任务模块重新提交作业并进行分析，获得不含有残余应力的金属蠕变拉伸模型，用以预测残余应力对于金属蠕变拉伸样的影响。
2.根据权利要求1所述引入残余应力的摩擦组焊增材件蠕变孕育期预测方法，其特征在于：所述金属蠕变拉伸试样的尺寸的要求试样的原始横截面积So不小于7mm2且原始标距Lo大于等于50mm，故选取a＝4mm，b＝15mm，Lo＝100mm，Lc＝116mm，Lro＝242mm，R＝12mm，保证了尺寸的合规，线性摩擦焊可变形体焊件的尺寸取值为40mm×120mm，保证可以从焊接接头中切取完整的金属蠕变拉伸试样；其中a为矩形横截面的厚度，b为矩形横截面试样平行段横截面的宽度，Lo为原始标距，Lc为平行长度，Lro为原始参考长度，R为过渡弧半径。
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