CN115688521A - 一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法，包括依次进行的，建立焊接件三维坐标系；规划测量点位置；测量残余应力值；有限元建模；残余应力场构建；有限元模型求解。通过残余应力分析仪获得测量点的残余应力值，无需通过大量试验获得热力耦合参数且避免了仿真焊接过程，获得的残余应力值数据更加真实准确；进一步利用克里金插值法求解未知点的残余应力值，进而获得更加精准的焊接件的残余应力场，提高接头强度分析数据的准确性，更好地为生产制造服务。
Description
技术领域
本申请涉及接头分析领域，尤其是涉及一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法。
背景技术
接头强度分析时，应当考虑焊后残余应力对接头强度的影响，并结合静强度标准，得到接头强度。
目前，考虑残余应力时，接头分析通常从焊接过程进行模拟，模拟时需要使用热力耦合参数以及焊接热源建模等过程，且残余应力结果准确性依赖于多次试验得到的热力耦合参数。或者监测焊后焊接件温度，得到温度差，进而通过有限元仿真、子图分割、筛选以及激光强化得到残余应力分布，但上述方案需要较多的热力耦合参数才能获得准确的残余应力分布。
发明内容
为了避免对热力耦合参数的需要且同时获得准确的准确的接头强度，本申请提供的一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法。
本申请提供的一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法采用如下的技术方案：
一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法，包括依次进行的，
建立焊接件三维坐标系；
规划测量点位置：靠近焊接件的焊缝处布置多个残余应力测量点；
测量残余应力值：利用残余应力分析仪测量残余应力值，并按照三维坐标系记录；
有限元建模：在三维坐标系中建立焊接件的几何模型，按工况加载焊接件，对焊接件进行网格划分；
残余应力场构建：将有限元模型中导出网格结点坐标，按照克里金插值法求解网格结点处的残余应力场；
有限元模型求解：将残余应力场导入有限元几何模型，有限元求解得到焊接件工况下的残余应力场，将工况下的残余应力场与静强度校核标准对比，判断是否符合要求。
通过采用上述技术方案，通过残余应力分析仪获得测量点的残余应力值，无需通过大量试验获得热力耦合参数且避免了仿真焊接过程，获得的残余应力值数据更加真实准确；进一步利用克里金插值法求解未知点的残余应力值，进而获得更加精准的焊接件的残余应力场，提高接头强度分析数据的准确性，更好地为生产制造服务。
优选的，相邻残余应力测量点之间的最小间距不小于残余应力分析仪的测头尺寸，残余应力测量点均匀分布于焊接件的母材区域。
通过采用上述技术方案，由于残余应力随靠近焊缝位置而逐渐增大，通过测量点之间合理间距的设置提高测量效率，且同时保证后续求解网格结点未知的残余应力值时具备足够、合理的已知点残余应力值，进而提高接头强度分析的准确性。
优选的，步骤残余应力场构建，残余应力测量点的范围不小于网格结点坐标范围；当残余应力测量点的范围小于网格结点坐标范围时，从测量边界扩展测量区域补充测量。
通过采用上述技术方案，在合理范围内，增加残余应力测量点数量，基于有限点位的残余应力测量值构建残余应力场，提高残余应力场的准确性；并在残余应力场的基础上分析焊接接头强度，提高强度校核的准确性。
优选的，步骤残余应力场构建，包括依次进行的，
距离测算：计算有限元网格结点与残余应力测量点之间的距离，当距离小于残余应力分析仪测头尺寸的一半时，设置网格结点上的残余应力值等于残余应力测量点的残余应力值；
克里金插值法求解：采用克里金插值法求解网格结点的残余应力值。
通过采用上述技术方案，避免在一个小范围内重复多次测量，在保证精度的情况下提高后续求解网格结点残余应力值的效率。
优选的，步骤有限元建模，沿焊接件焊缝尺寸长度最小的方向对焊接件进行网格划分，焊接件焊缝处至少设有5层网格。
通过采用上述技术方案，以更好的获得焊接件未知点的残余应力值，提高强度分析结果的准确性。
优选的，还包括，
寿命预测：利用Fe-safe的焊缝疲劳模块Verity，并将步骤有限元模型求解中得到的焊接件工况下的残余应力场输入上述模块，得到焊接件寿命。
通过采用上述技术方案，利用强度分析结果为技术研发人员提供更为全面的焊接件数据。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.通过残余应力分析仪获得测量点的残余应力值，无需通过大量试验获得热力耦合参数且避免了仿真焊接过程，获得的残余应力值数据更加真实准确；进一步利用克里金插值法求解未知点的残余应力值，进而获得更加精准的焊接件的残余应力场，提高接头强度分析数据的准确性，更好的为生产制造服务。
2.避免在一个小范围内重复多次测量，在保证精度的情况下提高后续求解网格结点残余应力值的效率。
具体实施方式
以下对一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法进行具体描述
本申请实施例公开一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法，包括如下依次进行的：
(在本实施例中，以具有对接焊缝的角接接头为例进行描述，且母材和焊缝材质均为钢材。)
S1建立焊接件三维坐标系：观察焊接件(具有对接焊缝的角接接头)，以焊缝长度方向为X轴方向，无坡口的母材角点为原点，母材厚度方向为Z轴，在原点为无坡口的母材角点的基础上设置Y轴，X轴、Y轴和Z轴之间两两垂直。
S2规划测量点位置：相邻残余应力测量点之间的最小间距不小于残余应力分析仪的测头尺寸，焊接件母材区域每隔30mm取一个测量点，焊接件焊缝区域每隔15mm去取一个测量点。
S3测量残余应力值：利用残余应力分析仪测量残余应力值，并按照三维坐标系记录。
S4有限元建模：
S41:在三维坐标系中建立焊接件的有限元几何模型，三维坐标系与焊接件坐标系一致。
S42:根据焊接件和焊缝材质(在本实施例中为钢材)，将弹性模量均设置为215GPa，泊松比设置为0.3。焊缝的网格尺寸设置为1mm。求解单元类型采用C3D8R和C3D4，按工况进行设置力边界条件。
S43:沿焊接件焊缝尺寸长度最小的方向对焊接件进行网格划分，焊接件焊缝处至少设有5层网格。
S5残余应力场构建：将有限元模型中导出网格结点坐标，残余应力测量点的范围不小于网格结点坐标范围；当残余应力测量点的范围小于网格结点坐标范围时，从测量边界扩展测量区域补充测量。
S51距离测算：计算网格结点与残余应力测量点之间的距离，当距离小于残余应力分析仪测头尺寸的一半时，设置网格结点上的残余应力值等于残余应力测量点的残余应力值；
S52克里金插值法求解：通过克里金插值法将已知的残余应力测量值转换为用于有限元计算的预定义场(残余应力场)；利用有限元软件计算引入残余应力场后的应力、应变。
S52克里金插值法求解：
式中，
β0＝(FTR-1F)-1FTR-1ys
vkriging＝R-1(ys-β0F)
其中，ys为残余应力测量点的应力值数据构成的列向量，F为与ys同规模的全1向量，R表示所有测量点之间的相关函数值构成的相关矩阵。r(x)为相关系数构成的列向量，由未知点与所有测量点之间的相关函数值组成。上标T表示转置，上标-1表示求逆。
β0为常数，代表分析区域应力值的期望。vkriging为列向量，根据测量点数据即可求得，作为
估计的常数向量。
相关矩阵R的i行j列的分量表达式为：
其中x为点i的坐标构成的1×3向量，x′为点j的坐标构成的1×3向量，β1、β2和β3为待定系数。位为残余应力分析仪测头尺寸。
r(X)的表达式为：
r(X)＝[R(x(1),X)，…,R(x(n),x)]
其中x(1)～x(n)为n个测量点的坐标，X为待估计点的坐标。
待定系数β的求解按极大似然估计求得。
S6有限元模型求解：将残余应力场导入有限元几何模型，有限元求解得到焊接件工况下的残余应力场，将工况下的残余应力场与静强度校核标准对比，判断是否符合要求。
S7寿命预测：利用Fe-safe的焊缝疲劳模块Verity，并将步骤有限元模型求解中得到的焊接件工况下的残余应力场输入上述模块，循环104.5，得到焊接件寿命。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法，其特征在于：包括依次进行的，
建立焊接件三维坐标系；
规划测量点位置：靠近焊接件的焊缝处布置多个残余应力测量点；
测量残余应力值：利用残余应力分析仪测量残余应力值，并按照三维坐标系记录；
有限元建模：在三维坐标系中建立焊接件的有限元几何模型，按工况加载焊接件，对焊接件进行网格划分；
残余应力场构建：将有限元模型中导出网格结点坐标，按照克里金插值法求解网格结点处的残余应力场；
有限元模型求解：将残余应力场导入有限元几何模型，有限元求解得到焊接件工况下的残余应力场，将工况下的残余应力场与静强度校核标准对比，判断是否符合要求。
2.根据权利要求1所述的一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法，步骤规划测量点位置，其特征在于：相邻残余应力测量点之间的最小间距不小于残余应力分析仪的测头尺寸，残余应力测量点均匀分布于焊接件的母材区域。
3.根据权利要求1所述的一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法，步骤残余应力场构建，其特征在于：残余应力测量点的范围不小于网格结点坐标范围；当残余应力测量点的范围小于网格结点坐标范围时，从测量边界扩展测量区域补充测量。
4.根据权利要求1所述的一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法，步骤残余应力场构建，其特征在于：包括依次进行的，
距离测算：计算网格结点与残余应力测量点之间的距离，当距离小于残余应力分析仪测头尺寸的一半时，设置网格结点上的残余应力值等于残余应力测量点的残余应力值；
克里金插值法求解：采用克里金插值法求解网格结点的残余应力值。
5.根据权利要求1所述的一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法，步骤有限元建模，其特征在于：沿焊接件焊缝尺寸长度最小的方向对焊接件进行网格划分，焊接件焊缝处至少设有5层网格。
6.根据权利要求1所述的一种考虑焊后残余应力的接头强度分析方法，其特征在于：还包括，
寿命预测：利用Fe-safe的焊缝疲劳模块Verity，并将步骤有限元模型求解中得到的焊接件工况下的残余应力场输入上述模块，得到焊接件寿命。
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