CN114970233A - 预测焊接残余应力分布的方法和装置、设备及存储介质 - Google Patents

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CN114970233A CN202210365192.0A CN202210365192A CN114970233A CN 114970233 A CN114970233 A CN 114970233A CN 202210365192 A CN202210365192 A CN 202210365192A CN 114970233 A CN114970233 A CN 114970233A
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王垒超
王明波
刘君
蒋毅
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王庆
韩雷
王彬彬
王爱玲
李玉坤
王鄯尧
彭启凤
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Abstract

本发明提供了一种预测焊接残余应力分布的方法和装置、设备及存储介质，所述方法包括：S1、采用双椭球热源模型作为焊接热源，确定材料热物理性能数据和双椭球热源模型中的热源参数；S2、建立管道焊接有限元模型，并划分网格，设置边界条件；S3、施加热载荷，求解不同时刻下焊接缝的各节点温度；S4、将不同时刻下焊接缝的各节点温度作为热载荷，再次施加到管道焊接有限元模型上，获得焊缝处轴向和横向的残余应力分布计算结果；S5、结合所述残余应力分布计算结果和焊缝及影响区域的实际尺寸，绘制焊缝表面残余应力分布曲线。本发明能够模拟焊接过程，实现了对焊接残余应力分布特征的精准预测。

Description

预测焊接残余应力分布的方法和装置、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及管道焊接残余应力分布预测技术领域，具体来讲，涉及一种预测管道焊接残余应力分布的方法、一种预测管道焊接残余应力分布的装置一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质和一种计算机设备。
背景技术
焊接技术是工程现场施工的关键技术，焊接过程中不可避免的会产生焊接残余应力，残余应力的存在是焊接接头脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀开裂等失效形式的重要因素，研究残余应力的分布特征对工程构件使用的长效性、安全性具有举足轻重的意义。
现有技术中，主要应用两种方法来研究焊接残余应力的分布特征，一种是现场检测方法，另一种则是数值分析方法。目前较为成熟的检测法有盲孔法、X射线法和超声波法。盲孔法的精度相对较高，但作为破坏性检测方法，不宜用于在线监测。X射线法适用于测量较薄构件及裂纹尖端处的应力分布情况，可以测量出构件中的应力和残余应力，但是影响其检测精度的因素有很多，且对检测环境要求相对较高。超声波法对被测表面光洁度、平面度要求高，被测表面与探头之间的耦合状况也对测量结果影响较大。传统的应力测量方法对设备及管道表面要求高，需要进行打磨甚至抛光处理，无法发现应力集中严重处，检测工艺复杂且结果可重现性不够。同时无法做到在线快速对设备的整体应力状态进行评价。
常用的数值分析方法是采用SYSWELD、Fluent等数值软件来建立数值模型，并根据实际工况求解焊接残余应力，以获得焊接接头上残余应力的分布规律。例如，于2014年02月26日公开的名称为一种基于ANSYS的管线钢焊接残余应力预测方法、公开号为CN103605861A的专利文献记载了一种基于ANSYS的管线钢焊接残余应力预测方法，其特征在于：所述方法依次包括以下步骤：步骤(1)：确定焊件焊接条件；步骤(2)：创建焊件的实体模型，定义SOLID70单元划分扫掠网格，并根据实际工况来施加对焊接温度场的求解约束及载荷；步骤(3)：将热分析单元SOLID70转化为结构分析单元SOLID45，并定义焊件不同温度下的弹性模量、线膨胀系数、泊松比、屈服应力和屈服后的弹性模量；步骤(4)：将上述温度场分析得到的节点温度作为载荷施加到结构模型上，并根据模型具体情况确定如何施加约束条件，然后求解残余应力分布。
于2020年01月17日公开的名称为激光热处理X80管线钢焊接接头残余应力的预测方法、公开号为CN110704966A的专利文献记载了一种激光热处理X80管线钢焊接接头残余应力的预测方法，包括以下步骤：确定激光热处理条件；创建焊接接头激光热处理实体模型；设置模型相关初始参数；同时根据激光热处理特点在SYSWELD软件中编写激光热处理使用的热源模型并设置热源模型参数；根据实际工况施加对激光热处理温度场的求解约束及载荷；定义材料热物理性能和力学性能参数，利用SYSWELD数值模拟软件进行应力场有限元分析。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种快速测量在役管道焊缝处残余应力分布情况的方法，以实现准确便捷地对在役管道焊缝处进行应力检测评估。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种预测管道焊接残余应力分布的方法，所述预测管道焊接残余应力分布的方法通过以下步骤实现：S1、采用双椭球热源模型作为焊接热源，确定材料热物理性能数据和双椭球热源模型中的热源参数；S2、建立管道焊接有限元模型，并划分网格，设置边界条件；S3、施加热载荷，求解不同时刻下焊接缝的各节点温度；S4、将不同时刻下焊接缝的各节点温度作为热载荷，再次施加到管道焊接有限元模型上，获得焊缝处轴向和横向的残余应力分布计算结果；S5、结合所述残余应力分布计算结果和焊缝及影响区域的实际尺寸，绘制焊缝表面残余应力分布曲线。
在本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的一个示例性实施例中，所述双椭球热源模型可如式(1)～(3)所示：
Figure BDA0003586817290000021
Figure BDA0003586817290000031
Figure BDA0003586817290000032
式中，qf为前半椭球体的热流值，J/s；qr为后半椭球体的热流值，J/s；ff为前半椭球体的热输入分配系数，无量纲；fr为后半椭球体的热输入分配系数，无量纲；Q为有效功率，W；af为前半椭球体的第一形状参数，mm；ar为后半椭球体的第一形状参数，mm；b为第二形状参数，mm；c为第三形状参数，mm。
在本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的一个示例性实施例中，有效功率Q的计算式可如式(4)所示：
Q＝ηUI (4)
式中，Q为有效功率，W；η为电弧热效率；U为焊接电压，V；I为焊接电流，A。
在本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的一个示例性实施例中，确定的热源参数可包括焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊接效率。
在本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的一个示例性实施例中，所述前半椭球体的第一形状参数af可设置为5mm，所述第二形状参数b可设置为6mm，所述第三形状参数c可设置为2.5mm，所述前半椭球体的热输入分配系数ff可设置为0.4，所述前半椭球体的热输入分配系数fr可设置为1.6。
本发明另一方面提供了一种预测管道焊接残余应力分布的装置，所述预测管道焊接残余应力分布的装置包括参数确定模块、模型建立模块、第一求解模块、第二求解模块和预测模块，其中，所述参数确定模块，用于确定材料热物理性能数据和双椭球热源模型中的热源参数；所述模型建立模块，用于建立管道焊接有限元模型；所述第一求解模块与所述模型建立模块和所述参数确定模块连接，用于施加热载荷，并求解不同时刻下焊接缝的各节点温度；所述第二求解模块与所述第一求解模块连接，用于将不同时刻下焊接缝的各节点温度作为热载荷，再次施加到管道焊接有限元模型上，求解焊缝处轴向和横向的残余应力分布；所述预测模块与所述第二求解模块连接，用于结合所述残余应力分布计算结果和焊缝及影响区域的实际尺寸，绘制焊缝表面残余应力分布曲线。
本发明再一方面提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的预测管道焊接残余应力分布的方法。
本发明再一方面提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，当计算机程序在被处理器执行时实现如上所述的预测管道焊接残余应力分布的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明的预测方法能够对管道焊缝处焊接残余应力进行准确求解，获得焊接残余应力分布特征；
(2)本发明能够模拟出焊接的过程，解决工程实际中对于残余应力特征繁琐的测量程序，实现了对焊接残余应力分布特征的精准预测；
(3)本发明可为确保焊接机构服役安全提供重要的残余应力评价方法；
(4)本发明避免了利用应力检测方法测量时进行人为打孔、造成构件损伤的缺点，提高了工作效率，减少了实验成本。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的一个示例性实施例的材料力学性能数据与温度的变化关系示意图。
图2示出了本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的一个示例性实施例的有限元模型图。
图3示出了本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的一个示例性实施例的轴向残余应力分布云图。
图4示出了本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的一个示例性实施例的环向残余应力分布云图。
图5示出了本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的一个示例性实施例的焊缝表面残余应力分布曲线。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的预测焊接残余应力分布的方法和装置、设备及存储介质。
发明人认为，通过单个焊接实验来研究焊缝残余应力分布的方式耗时长、成本高，而利用数值仿真来探究焊接残余应力分布特征可减少大量的实际焊接实验，是一种高效可行的焊接残余应力分布研究方法。为了解决现有技术所存在的不足，本发明提供一种利用数值模拟法预测焊接残余应力分布特征的方法，能够准确评价焊缝处焊接残余应力分布特征；避免了利用应力检测方法测量时进行人为打孔、造成构件损伤的缺点；提高了工作效率，减少了实验成本。
在本发明的一个示例性实施例中，一种预测管道焊接残余应力分布的方法通过以下步骤实现。
S1、采用双椭球热源模型作为焊接热源，确定材料热物理性能数据和双椭球热源模型中的热源参数。
在管道焊接过程中，作用在工件上的温度场是瞬时高温、不均匀的、大梯度的，材料发生相变，焊后产生残余变形和残余应力。对焊接结构焊后的变形行为以及残余应力进行预测和分析，必须对焊接的瞬态温度场进行相当准确的描述和计算。焊接瞬态温度场的空间分布主要由焊接热能的分布和焊接过程的热传导决定。因此采用有限元数值模拟方法对焊接过程进行分析，首先要对热源的能量分布进行相对准确的数学表达。也就是说，焊接热源模型是实现焊接过程数值模拟的基本条件，热源模型的准确性决定了焊接温度场、残余应力和残余变形有限元计算结果的准确性。
本发明采用的双椭球热源模型与其余的高斯表面热源模型、均匀体热源模型和给定温度的热源模型等相比，对管道常见的多层多道焊温度场进行数值模拟时，其模拟结果与实际情况更吻合。
S2、建立管道焊接有限元模型，并划分网格，设置边界条件。
S3、施加热载荷，求解不同时刻下焊接缝的各节点温度。
S4、将不同时刻下焊接缝的各节点温度作为热载荷，再次施加到管道焊接有限元模型上，获得焊缝处轴向和横向的残余应力分布计算结果。
S5、结合所述残余应力分布计算结果和焊缝及影响区域的实际尺寸，绘制焊缝表面残余应力分布曲线。
在本实施例中，双椭球热源模型的计算式可如式(1)～(4)所示：
Figure BDA0003586817290000051
Figure BDA0003586817290000061
Figure BDA0003586817290000062
Q＝ηUI。 (4)
式中，qf为前半椭球体的热流值，J/s；qr为后半椭球体的热流值，J/s；ff为前半椭球体的热输入分配系数，无量纲；fr为后半椭球体的热输入分配系数，无量纲；Q为有效功率，W；af为前半椭球体的第一形状参数，mm；ar为后半椭球体的第一形状参数，mm；b为第二形状参数，mm；c为第三形状参数，mm；η为电弧热效率；U为焊接电压，V；I为焊接电流，A。
在本实施例中，确定的热源参数可包括焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊接效率。
在本实施例中，所述前半椭球体的第一形状参数af设置为5mm，所述第二形状参数b设置为6mm，所述第三形状参数c设置为2.5mm，所述前半椭球体的热输入分配系数ff设置为0.4，所述前半椭球体的热输入分配系数fr设置为1.6。
焊缝区网格尺寸为3mm，热影响区及母材区先对线按比例划分，再进行扫掠。
采用修正后的换热公式计算管道外壁和空气的换热，所述修正后的换热公式如式(5)所示：
Figure BDA0003586817290000063
式中，a为换热系数，W/(m2.K)；T0为常温，℃；T为温度变量，℃；λ为介质导热系数，W/(m.K)；d为管道内径，mm；v为流体介质流速，m/s；ρ为流体介质密度，kg/m3：μ为流体中心介质动力粘度，Pa.s；μ0为流体介质常温常压下的动力粘度，Pa.s。
本发明另一方面提供了一种预测管道焊接残余应力分布的装置。
在本发明的预测管道焊接残余应力分布的装置的一个示例性实施例中，预测管道焊接残余应力分布的装置包括参数确定模块、模型建立模块、第一求解模块、第二求解模块和预测模块。
其中，参数确定模块，用于确定材料热物理性能数据和双椭球热源模型中的热源参数。
模型建立模块，用于建立管道焊接有限元模型。
第一求解模块与模型建立模块和所述参数确定模块连接，用于施加热载荷，并求解不同时刻下焊接缝的各节点温度。
第二求解模块与第一求解模块连接，用于将不同时刻下焊接缝的各节点温度作为热载荷，再次施加到管道焊接有限元模型上，求解焊缝处轴向和横向的残余应力分布。
预测模块与第二求解模块连接，用于结合所述残余应力分布计算结果和焊缝及影响区域的实际尺寸，绘制焊缝表面残余应力分布曲线。
根据本发明的起裂压力计算方法可以被编程为计算机程序并且相应的程序代码或指令可以被存储在计算机可读存储介质中，当程序代码或指令被处理器执行时使得处理器执行上述预测管道焊接残余应力分布的方法，上述处理器和存储器可以被包括在计算机设备中。
根据本发明又一方面的示例性实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质。该计算机可读存储介质存储有当被处理器执行时使得处理器执行根据本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的计算机程序。该计算机可读记录介质是可存储由计算机系统读出的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括：只读存储器、随机存取存储器、只读光盘、磁带、软盘、光数据存储装置和载波(诸如经有线或无线传输路径通过互联网的数据传输)。
根据本发明又一方面的示例性实施例还提供一种计算机设备。该计算机设备包括处理器和存储器。存储器用于存储计算机程序。计算机程序被处理器执行使得处理器执行根据本发明的预测管道焊接残余应力分布的方法的计算机程序。
为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合附图和具体示例对其进行进一步说明。
示例1
一种预测管道焊接残余应力分布的方法包括以下几个步骤。
步骤一：采用SYSWELD软件材料库中的材料热物理性能数据，并采用符合实际的双椭球热源模型。
例如，X70管线钢材料导热系数λ和比热Cp分别按下式计算：
Figure BDA0003586817290000081
Figure BDA0003586817290000082
式中，λ为导热系数，W/(m.K)；Cp为比热容，J/(kg.K)；T为温度，K。
X70管线钢的高温力学性能缺乏但其化学成分、力学性能可通过相关文献查询，故其屈服强度Rt05、杨氏模量E、硬化系数ET、泊松比ν、热膨胀系数α可查图1获得。图1中的横坐标表示温度，单位为℃；左边纵坐标分别表示杨氏模量E、屈服强度Rt05、硬化系数ET和泊松比ν，对应单位分别为GPa、Mpa、MPa和无量纲，右边纵坐标为热膨胀系数α。图1中的曲线1代表屈服强度Rt05随温度的变化关系，曲线2表示泊松比ν随温度的变化关系，曲线3表示杨氏模量E随温度的变化关系，曲线4表示硬化系数ET随温度的变化关系，曲线5表示热膨胀系数α随温度的变化关系。
步骤二：根据实际焊接参数确定双椭球热源模型中的参数：形状参数、能量密度、有效功率、电弧热效率。
例如，本示例模拟CO2气体保护焊，其焊接参数为电流180A，电压20V，焊接速度2mm/s，焊接效率η＝0.73，以此作为焊接热源参数确定的依据。对于双椭球热源，相关参数取值为af＝5mm，b＝6mm，c＝2.5mm，cr＝20mm，ff＝0.4，fr＝1.6。
步骤三：对模型进行合理简化，通过SYSWELD软件的Visual-mesh组件建立有限元模型。仿真计算建立的有限元模型如图2所示。
具体来讲，创建焊件实体模型，定义SOLID单元对模型扫掠网格划分。其中焊缝区网格尺寸为3mm，热影响区及母材区先对线按比例划分，再进行扫掠；总体符合距离焊缝越远网格尺寸越大的规律。
步骤四：选取合适单元类型，施加与工况相同的焊接热力边界条件。钢板底面与工作台接触，则将钢板底面设置为刚性约束。
管道外壁和空气的换热主要考虑辐射换热和空气的自然对流换热、总换热系数采用SYSWELD中提供的换热公式。由于管道内壁和流动介质间主要是强制对流换热和辐射换热，本次采用修正后的换热公式如下式：
Figure BDA0003586817290000091
式中，a为换热系数，W/(m2.K)；T0为常温，℃；T为温度变量，℃；λ为介质导热系数，W/(m.K)；d为管道内径，mm；v为流体介质流速，m/s；ρ为流体介质密度，kg/m3：μ为流体中心介质动力粘度，Pa.s；μ0为流体介质常温常压下的动力粘度，Pa.s。
步骤五：考虑热传导，给定边界条件，求解得到焊接缝不同时刻各节点的温度。由于管道焊接后需要保温处理，因此，冷却条件是环境温度T设置为350℃。然后，再将各时刻各节点的温度作为载荷施加到模型上，仿真稳定的焊接工艺，完成整个的应力-应变分析过程，分别获得焊缝处轴向和横向的残余应力分布云图。
模拟获得的焊缝处轴向残余应力分布云图如图3所示，焊缝处横向残余应力分布云图如图4所示。
步骤六：将残余应力分布云图结合焊缝及影响区域的实际尺寸绘制焊缝表面残余应力分布曲线。
绘制获得的焊缝表面残余应力分布曲线如图5所示，图5中的横坐标表示与焊接间隔的距离，mm，纵坐标表示焊缝残余应力，MPa，虚线表示环向残余应力，实线表示轴向残余应力。
综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
(1)本发明的预测方法能够对管道焊缝处焊接残余应力进行准确求解，获得焊接残余应力分布特征；
(2)本发明能够模拟出焊接的过程，解决工程实际中对于残余应力特征繁琐的测量程序，实现了对焊接残余应力分布特征的精准预测；
(3)本发明可为确保焊接机构服役安全提供重要的残余应力评价方法；
(4)本发明避免了利用应力检测方法测量时进行人为打孔、造成构件损伤的缺点，提高了工作效率，减少了实验成本。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (9)

1.一种预测管道焊接残余应力分布的方法，其特征在于，所述预测管道焊接残余应力分布的方法通过以下步骤实现：
S1、采用双椭球热源模型作为焊接热源，确定材料热物理性能数据和双椭球热源模型中的热源参数；
S2、建立管道焊接有限元模型，并划分网格，设置边界条件；
S3、施加热载荷，求解不同时刻下焊接缝的各节点温度；
S4、将不同时刻下焊接缝的各节点温度作为热载荷，再次施加到管道焊接有限元模型上，获得焊缝处轴向和横向的残余应力分布计算结果；
S5、结合所述残余应力分布计算结果和焊缝及影响区域的实际尺寸，绘制焊缝表面残余应力分布曲线。
2.根据权利要求1所述的预测管道焊接残余应力分布的方法，其特征在于，所述双椭球热源模型如式(1)～(3)所示：
Figure FDA0003586817280000011
Figure FDA0003586817280000012
Figure FDA0003586817280000013
式中，qf为前半椭球体的热流值，J/s；qr为后半椭球体的热流值，J/s；ff为前半椭球体的热输入分配系数，无量纲；fr为后半椭球体的热输入分配系数，无量纲；Q为有效功率，W；af为前半椭球体的第一形状参数，mm；ar为后半椭球体的第一形状参数，mm；b为第二形状参数，mm；c为第三形状参数，mm。
3.根据权利要求2所述的预测管道焊接残余应力分布的方法，其特征在于，有效功率Q的计算式如式(4)所示：
Q＝ηUI (4)
式中，Q为有效功率，W；η为电弧热效率；U为焊接电压，V；I为焊接电流，A。
4.根据权利要求1所述的预测管道焊接残余应力分布的方法，其特征在于，确定的热源参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度和焊接效率。
5.根据权利要求1所述的预测管道焊接残余应力分布的方法，其特征在于，所述前半椭球体的第一形状参数af设置为5mm，所述第二形状参数b设置为6mm，所述第三形状参数c设置为2.5mm，所述前半椭球体的热输入分配系数ff设置为0.4，所述前半椭球体的热输入分配系数fr设置为1.6。
6.根据权利要求1所述的预测管道焊接残余应力分布的方法，其特征在于，焊缝区网格尺寸为3mm，热影响区及母材区先对线按比例划分，再进行扫掠。
7.一种预测管道焊接残余应力分布的装置，其特征在于，所述预测管道焊接残余应力分布的装置包括参数确定模块、模型建立模块、第一求解模块、第二求解模块和预测模块，其中，
所述参数确定模块，用于确定材料热物理性能数据和双椭球热源模型中的热源参数；
所述模型建立模块，用于建立管道焊接有限元模型；
所述第一求解模块与所述模型建立模块和所述参数确定模块连接，用于施加热载荷，并求解不同时刻下焊接缝的各节点温度；
所述第二求解模块与所述第一求解模块连接，用于将不同时刻下焊接缝的各节点温度作为热载荷，再次施加到管道焊接有限元模型上，求解焊缝处轴向和横向的残余应力分布；
所述预测模块与所述第二求解模块连接，用于结合所述残余应力分布计算结果和焊缝及影响区域的实际尺寸，绘制焊缝表面残余应力分布曲线。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1～6中任一所述的预测管道焊接残余应力分布的方法。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当计算机程序在被处理器执行时实现如权利要求1～6中任一所述的预测管道焊接残余应力分布的方法。
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