CN115906555B - 基于comsol的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，包括建立钢结构焊接三维模型，输入材料热物理参数和温度边界条件，在钢结构焊接三维模型上施加双椭球热源进行温度场计算,考虑温度场引起的体积变量和弹塑性变量，将温度场作为预定义场进行应力场计算,基于钢结构焊接三维模型建立空气层和无限元域,将应力场作为预定义场进行磁场计算。本发明通过COMSOL有限元软件对钢结构的焊接过程进行模拟，从而得到焊接温度场以及应力场的分布规律和力磁本构关系，本发明能够很好的通过漏磁信号的分布规律反推出焊接残余应力，从模拟方面验证了通过检测钢结构焊接试件的漏磁信号反推出应力分布的可行性，具有很强大的工程意义。
Description
技术领域
本发明属于焊接热应力分布及漏磁信号技术领域，特别涉及一种基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法。
背景技术
焊接结构是用焊接的方法来加工的工程结构，在航空航天、机械制造、铁路船舶、桥梁管道、压力容器、核工业以及特种设备等工程应用上的使用都非常广泛，焊接质量的好坏直接影响结构的使用及安全，随着社会的发展，焊接结构越来越注重精细化，对焊接质量的要求越来越高，然而焊接是一个快速且不均匀的热循环过程，焊缝试件加热或冷却过程中温度梯度较大，金属材料经历快速的加热、凝固和冷却过程，在此过程中试件会发生塑形变形形成较大的残余应力，然而对于残余应力的分布规律与焊接工艺的关系，通过实验去验证成本太高，且操作难度大，工序复杂，如何实现对残余应力的分布规律预测对设备的正常运行，保障结构的使用具有重要意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，以解决传统的残余应力测试实验成本高，工序复杂且操作难度大的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，包括：
步骤1、建立钢结构焊接三维模型，并输入材料的热物理参数和温度边界条件；
步骤2、在钢结构焊接三维模型上施加双椭球热源进行温度场计算；
步骤3、考虑温度场引起的体积变量和弹塑性变量，将温度场作为预定义场进行应力场计算；
步骤4、基于钢结构焊接三维模型建立空气层和无限元域；
步骤5、基于空气层和无限元域，将应力场作为预定义场进行磁场计算。
根据本发明的一个具体实施例，步骤1建立钢结构焊接三维模型，并输入材料的热物理参数和温度边界条件进一步包括：
步骤1.1、基于COMSOL软件建立瞬态固体传热物理场和固体力学物理场；
步骤1.2、基于瞬态固体传热物理场和固体力学物理场建立钢结构焊接三维模型；
步骤1.3、在钢结构焊接三维模型中输入热性能材料属性参数；
步骤1.4、对钢结构焊接三维模型进行网格划分；
步骤1.5、建立钢结构焊接三维模型的热边界条件，并将其输入到模型中。
根据本发明的一个具体实施例，步骤1.4对钢结构焊接三维模型进行网格划分包括：采用扫掠的方式对钢结构焊接三维模型进行网格划分。
根据本发明的一个具体实施例，钢结构焊接三维模型的热边界条件包括：
对流传热，计算公式为：
q0＝h*(T0-T)
式中，T0为环境温度，T为焊接时材料的温度，h为传热系数；
辐射传热，计算公式为：
hR＝εσ(T+T0)(T2+T0 2)
式中，ε为辐射发射率,σ为Stefan常数，T0为环境温度，T为焊接时材料的温度。
根据本发明的一个具体实施例，步骤2在钢结构焊接三维模型上施加双椭球热源进行温度场计算进一步包括：
步骤2.1、在钢结构焊接三维模型中输入热源参数，背景磁场参数，力磁本构关系插值函数，焊接方式和焊接材料参数；
步骤2.2、根据步骤2.1输入的参数建立双椭球热源模型，双椭球热源模型的表达式为：
q(x,y,z)＝qf(x,y,z)+qr(x,y,z)
其中，
ff+fr＝2
Q＝ηUI
式中，qf为前半部分热源密度，qr为后半部分热源密度，a,b,cf,cr均为热源形状参数；ff为热源前端占总热源的比例；fr为热源后端占总热源的比例；x,y,z为双椭球热源模型的任意点坐标；v为热源移动速度；t为热源移动时间；Q为热源输入；η为焊接热源热效应，U和I分别为焊接时输入的电压和电流。
根据本发明的一个具体实施例，步骤3考虑温度场引起的体积变量和弹塑性变量，将温度场作为预定义场进行应力场计算进一步包括：
步骤3.1、在钢结构焊接三维模型中输入材料力学参数；
步骤3.2、计算固态相变时由弹性变量、塑性变量和体积变量所引起的综合应变增量，其数学表达式为：
d＝dE+dp+df
式中，dE为弹性变量引起的应变增量，dp为塑性变量引起的应变增量，df为体积变量引起的应变增量；
其中，dE和dp分别采用热弹塑性有限元方法计算，
df的计算公式为：
df＝α*ΔT
式中，α为热膨胀系数，ΔT为单位体积变量。
根据本发明的一个具体实施例，步骤4基于钢结构焊接三维模型建立空气层和无限元域包括：
步骤4.1、基于COMSOL软件建立稳态磁场和无电流物理场；
步骤4.2、基于稳态磁场和无电流物理场建立空气层和无限元域三维模型，其中空气层由内向外依次包括加密区空气层，内部空气层和无穷远空气层；
步骤4.3、在空气层和无限元域三维模型中输入热性能材料属性参数；
步骤4.4、对空气层和无限元域三维模型进行网格划分。
根据本发明的一个具体实施例，空气层和无限元域三维模型的体心位置与钢结构焊接三维模型的体心位置一致，且空气层和无限元域的形状为球形。
根据本发明的一个具体实施例，步骤4.4对空气层和无限元域三维模型进行网格划分包括：选择自由四面体对空气层和无限元域进行网格划分。
根据本发明的一个具体实施例，步骤5基于空气层和无限元域，将应力场作为预定义场进行磁场计算包括：
步骤5.1、在磁场和无电流接口下，建立背景磁场及磁化模型，其中背景磁场的数学表达式为：
X方向磁场强度为：H0Gx
Y方向磁场强度为：H0Gy
Z方向磁场强度为：H0Gz
H0＝43.637A/m
Gx＝0.065735
Gy＝-0.85925
Gz＝0.5073
式中，H0为背景磁场强度的大小，Gx为单位背景磁场强度方向在X方向的分量， Gy为单位背景磁场强度方向在Y方向的分量；Gz为单位背景磁场强度方向在Z方向的分量；
磁化模型的数学表达式为：
B＝μ0H+Br
μ0＝500
式中，μ0为相对磁导率，H为背景磁场，Br为剩余磁通密度模；
步骤5.2、根据力磁本构关系分别在瞬态和稳态下进行磁场计算，得到残余应力分布及漏磁信号分布，其中力磁本构关系包括拉应力和压应力两种情况，
拉应力状态下磁化强度的微分表达式为：
其中，c＞0
a＝μ0μ/(kBT)
式中，M为磁化强度，σ为应力，Es是弹性模量，ξ为与能量密度相关的系数，η是评估应力对不可逆磁化强度影响的参数，+ηEs为拉应力下加载过程的修正，-ηEs为拉应力下卸载过程的修正，c是评估初始磁化率与初始无应力磁化比值的参数，Mirr为不可逆磁化强度，Man为非磁滞磁化强度，Ms表示饱和磁化强度，μ为原子磁矩，μ0为真空磁导率，T是温度，kB是玻尔兹曼常数，H是外磁场，ω为描述原子间相互作用的材料参数，ω0是无应力下的材料参数，λS0是无应力下的饱和磁致伸缩系数，β、和ζ为材料参数，ζ是描述材料受外磁场影响大小的参数，c11、c12为弹性系数；
压应力状态下磁化强度的微分表达式为：
其中，c＜0
式中，为压应力下加载过程的修正，/>为压应力下卸载过程的修正。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，通过移动的双椭球下热源，考虑材料的塑性应变，材料表面的热辐射与自然对流对于温度场的影响，利用结构力学模块模拟随着热源移动，试件产生的热应力以及试件的变形情况，得到焊接温度场分布规律、应力分布规律，然后利用磁场，无电流模块，模拟焊接结构内部残余应力与外部漏磁场信号的关系，得到漏磁场信号的分布规律，该方法能够很好的预测焊接过程各点的温度、应力及漏磁信号，对认识焊接过程、预测和控制焊接质量提供技术支持和理论参考。通过对钢结构焊接过程的温度-应力场-漏磁场进行模拟，得到钢结构焊接后的残余应力以及漏磁信号，通过漏磁型号与残余应力模拟的结果信号对比，得出两者之间的关系。能够指导工程上利用磁设备检测出来的漏磁信号反推焊接残余应力的问题，解决了传统模拟过程中只预测残余应力而导致工程意义不足的问题。
附图说明
图1是根据本发明一实施例提供的基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法流程图。
图2是根据本发明一实施例提供的钢结构焊接三维模型建立方法流程图。
图3是根据本发明一实施例提供的温度场计算方法流程图。
图4是根据本发明一实施例提供的应力场计算方法流程图。
图5是根据本发明一实施例提供的空气层和无限元域建立方法流程图。
图6是根据本发明一实施例提供的磁场计算方法流程图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更加清楚地理解本发明的概念和思想，以下结合具体实施例详细描述本发明。应理解，本文给出的实施例都只是本发明可能具有的所有实施例的一部分。本领域技术人员在阅读本申请的说明书以后，有能力对下述实施例的部分或整体作出改进、改造、或替换，这些改进、改造、或替换也都包含在本发明要求保护的范围内。
在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个事物，而是表示有关描述仅仅针对事物中的一个，事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“A包括B”意在表示在逻辑上B属于A，而不表示在空间上B位于A的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“A包括B”意在表示B属于A，但是B不一定构成A的全部，A还可能包括C、D、E等其它元素。
在本文中，术语“实施例”、“本实施例”、“一实施例”、“一个实施例”并不表示有关描述仅仅适用于一个特定的实施例，而是表示这些描述还可能适用于另外一个或多个实施例中。本领域技术人员应理解，在本文中，任何针对某一个实施例所做的描述都可以与另外一个或多个实施例中的有关描述进行替代、组合、或者以其它方式结合，替代、组合、或者以其它方式结合所产生的新实施例是本领域技术人员能够容易想到的，属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明的实施方式的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施方式的实践了解到。结合图1-图6，本发明实施例提供了一种基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，该方法是一项基于COMSOL固-热-磁模型模拟计算焊接过程及冷却后温度、应力、磁信号的方法，通过COMSOL有限元软件对钢结构的焊接进行模拟，得到焊接温度场分布规律、应力分布规律、及漏磁场的信号分布规律，能够很好的预测焊接过程各点的温度、应力及漏磁信号，通过研究焊接过程中残余应力与漏磁信号之间的关系，对认识焊接过程、预测和控制焊接质量提供技术支持和理论参考，具体包括以下步骤：
S1、建立钢结构焊接三维模型，并输入材料的热物理参数和温度边界条件。
S2、在钢结构焊接三维模型上施加双椭球热源进行温度场计算。
S3、考虑温度场引起的体积变量和弹塑性变量，将温度场作为预定义场进行应力场计算。
S4、基于钢结构焊接三维模型建立空气层和无限元域。
S5、基于空气层和无限元域，将应力场作为预定义场进行磁场计算。
具体的，步骤S1建立钢结构焊接三维模型，并输入材料的热物理参数和温度边界条件进一步包括：
S1.1、基于COMSOL软件建立瞬态固体传热物理场和固体力学物理场。
S1.2、基于瞬态固体传热物理场和固体力学物理场建立钢结构焊接三维模型。
S1.3、在钢结构焊接三维模型中输入热性能材料属性参数。
S1.4、对钢结构焊接三维模型进行网格划分，本发明实施例采用扫掠的方式对钢结构焊接三维模型进行网格划分。
S1.5、建立钢结构焊接三维模型的热边界条件，并将其输入到模型中，钢结构焊接三维模型的热边界条件包括：
对流传热，计算公式为：
q0＝h*(T0-T) (1)
式中，T0为环境温度，T为焊接时材料的温度，h为传热系数；
辐射传热，计算公式为：
hR＝εσ(T+T0)(T2+T0 2) (2)
式中，ε为辐射发射率,σ为Stefan常数，T0为环境温度，T为焊接时材料的温度。
具体的，步骤S2在钢结构焊接三维模型上施加双椭球热源进行温度场计算进一步包括：
S2.1、在钢结构焊接三维模型中输入热源参数，背景磁场参数，力磁本构关系插值函数，焊接方式和焊接材料参数。本发明实施例在全局定义窗口下建立热源参数，背景磁场参数，力磁本构关系插值函数。
S2.2、根据步骤2.1输入的参数建立双椭球热源模型，本发明在定义窗口下建立双椭球热源模型的变量表达式为：
q(x,y,z)＝qf(x,y,z)+qr(x,y,z) (3)
其中，
ff+fr＝2 (6)
Q＝ηUI (7)
式中，qf为前半部分热源密度，qr为后半部分热源密度，a,b,cf,cr均为热源形状参数；ff为热源前端占总热源的比例；fr为热源后端占总热源的比例；x,y,z为双椭球热源模型的任意点坐标；v为热源移动速度；t为热源移动时间；Q为热源输入；η为焊接热源热效应，U和I分别为焊接时输入的电压和电流。
具体的，步骤S3考虑温度场引起的体积变量和弹塑性变量，将温度场作为预定义场进行应力场计算进一步包括：
S3.1、在钢结构焊接三维模型中输入材料力学参数。
S3.2、计算固态相变时由弹性变量、塑性变量和体积变量所引起的综合应变增量，其数学表达式为：
d＝dE+dp+df (8)
式中，dE为弹性变量引起的应变增量，dp为塑性变量引起的应变增量，df为体积变量引起的应变增量；
其中，dE和dp分别采用热弹塑性有限元方法计算，
df的计算公式为：
df＝α*ΔT (9)
式中，α为热膨胀系数，ΔT为体积变量。
具体的，步骤S4基于钢结构焊接三维模型建立空气层和无限元域包括：
S4.1、基于COMSOL软件建立稳态磁场和无电流物理场。
S4.2、基于稳态磁场和无电流物理场建立空气层和无限元域三维模型，其中空气层由内向外依次包括加密区空气层，内部空气层和无穷远空气层。空气层和无限元域三维模型的体心位置与钢结构焊接三维模型的体心位置一致，且空气层和无限元域的形状为球形。本发明实施例首先在定义窗口下选择不同的域进行标定，分别为焊接试件、加密区空气层、内部空气层、无穷远空气层，然后建立无限元域并赋予焊接试件及其他域相应的材料属性。
S4.3、在空气层和无限元域三维模型中输入热性能材料属性参数。
S4.4、对空气层和无限元域三维模型进行网格划分。本发明实施例选择自由四面体对空气层和无限元域进行网格划分。
具体的，步骤S5基于空气层和无限元域，将应力场作为预定义场进行磁场计算包括：
步骤5.1、在磁场和无电流接口下，建立背景磁场及磁化模型，其中背景磁场的数学表达式为：
X方向磁场强度为：H0Gx
Y方向磁场强度为：H0Gy
Z方向磁场强度为：H0Gz
H0＝43.637A/m
Gx＝0.065735
Gy＝-0.85925
Gz＝0.5073
式中，H0为背景磁场强度的大小，Gx为单位背景磁场强度方向在X方向的分量， Gy为单位背景磁场强度方向在Y方向的分量；Gz为单位背景磁场强度方向在Z方向的分量；
磁化模型的数学表达式为：
B＝μ0H+Br (10)
μ0＝500
式中，μ0为相对磁导率，H为背景磁场，Br为剩余磁通密度模；
步骤5.2、根据力磁本构关系分别在瞬态和稳态下进行磁场计算，得到残余应力分布及漏磁信号分布，其中力磁本构关系包括拉应力和压应力两种情况，
拉应力状态下磁化强度的微分表达式为：
其中，c＞0
a＝μ0μ/(kBT) (15)
式中，M为磁化强度，σ为应力，Es是弹性模量，ξ为与能量密度相关的系数，η是评估应力对不可逆磁化强度影响的参数，+ηEs为拉应力下加载过程的修正，-ηEs为拉应力下卸载过程的修正，c是评估初始磁化率与初始无应力磁化比值的参数，Mirr为不可逆磁化强度，Man为非磁滞磁化强度，Ms表示饱和磁化强度，μ为原子磁矩，μ0为真空磁导率，T是温度，kB是玻尔兹曼常数，H是外磁场，ω为描述原子间相互作用的材料参数，ω0是无应力下的材料参数，λS0是无应力下的饱和磁致伸缩系数，β、和ζ为材料参数，ζ是描述材料受外磁场影响大小的参数，c11、c12为弹性系数；
压应力状态下磁化强度的微分表达式为：
其中，c＜0
式中，为压应力下加载过程的修正，/>为压应力下卸载过程的修正。力磁本构关系，是指铁磁材料表面漏磁信号特征和焊接试件残余应力场的对应关系，由于焊接材料属于铁磁材料，因此本发明通过COMSOL有限元软件对焊接结构的焊接进行模拟，得到焊接温度场分布规律、应力分布规律、及漏磁场的信号分布规律，该方法能够很好的预测焊接过程中各点的温度、应力及漏磁信号，对认识焊接过程、预测和控制焊接质量提供技术支持和理论参考。
本发明实施例中首先设置两个研究步骤，设置步骤1为瞬态，步骤2为稳态，步骤1瞬态的设置窗口中，清除物理场和变量选择栏中磁场，无电流求解复选框，步骤2 稳态的设置窗口中，清除物理场和变量选择栏中固体传热求解复选框及多物理场耦合栏中热膨胀求解复选框。瞬态的时间步长分为五个阶段：1、焊接阶段：双椭球热源从 0到试件长度/热源速度，步长为0.5s；2、快速降温阶段：试件长度/热源速度到500s, 步长为1s；3、中速降温阶段：500s到1000s，步长为1.5s；4、慢速降温阶段：1000s 到2000s，步长为2s；5、常温降速阶段：2000s到4000s，步长为4s。然后对求解器配置进行调整，将求解器中迭代次数改为50次，温度和固体力学非线性方法须选择自动高度非线性。点击计算，进行求解，最后根据计算结果，查看残余应力分布及漏磁场信号分布。
本发明通过对钢结构焊接过程的温度-应力场-漏磁场进行模拟，通过固体传热和固体力学模块，利用双椭球热源模拟焊接热源，实现焊接过程的模拟，得到温度与残余应力的关系，与此同时考虑到工程上无法直接判断焊接残余应力，需通过其他检测手段反推残余应力的实际情况，在焊接模拟完成的基础上施加了磁场，通过模拟的漏磁信号结果和应力结果进行对比，得出漏磁信号与焊接残余应力的关系，解决了传统模拟过程中只预测残余应力而导致工程意义不足的问题，对于指导实际有重要的意义。
实施例2
本发明实施例提供一种基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测模拟实验过程，在此示例中，“热应力”接口自动添加并耦合，“固体力学”接口和“传热”接口，可以通过预定义的多物理场特征热膨胀来实现，与此同时磁场无电流接口耦合焊接结构残余应力与表面漏磁信号，具体包括以下过程：
建立固体传热、固体力学、磁场，无电流三个物理场。固体传热、固体力学、磁场，无电流三个物理场不是直接耦合，首先固体传热和固体力学耦合产生残余应力后，再将残余应力与磁场，无电流进行耦合，产生漏磁信号。固体力学和固体传热物理场耦合时，热力耦合的物性参数包括随温度变化的初始屈服应力、硬化函数、导热系数、热膨胀系数、杨氏模量、比热容、恒压热容、密度，以及固体力学和磁场耦合时，力磁本构关系、相对磁导率物性参数。
在模型开发器窗口的全局定义节点下，右键单击全局定义，单击参数，在参数1 的设置窗口中，定位到标签栏，输入热源参数，定位到参数栏，键入下表：
| 名称 | 表达式 | 值 |
| Ff | 0.6 | 0.6 |
| Q | 3150[W] | 3150W |
| cf | 5.0[mm] | 0.005m |
| a | 10[mm] | 0.01m |
| b | 15.0[mm] | 0.015m |
| Fr | 1.4 | 1.4 |
| cr | 10.0[mm] | 0.01m |
| spd1 | 2[mm/s] | 0.002m/s |
表1热源参数表
在模型开发器窗口的全局定义节点下，右键单击全局定义，单击参数，在参数1 的设置窗口中，定位到标签栏，键入背景磁场参数，定位到参数栏，输入下表：
| 名称 | 表达式 | 值 |
| H0 | 54836[nT]/mu0_const | 43.637A/m |
| Incl | 59.233[deg] | 1.0338rad |
| Decl | 7.383[deg] | 0.12886rad |
| Gz | cos(Incl)*cos(Decl) | 0.50731 |
| Gx | cos(Incl)*sin(Decl) | 0.065735 |
| Gy | -sin(Incl) | -0.85925 |
表2背景磁场参数
在模型开发器窗口的全局定义节点下，右键单击全局定义，单击插值，在插值1 的设置窗口中，定位到标签栏，键入力磁本构关系，定位到定义栏，数据源点击局部表，函数名称为int1。
在模型开发器窗口的定义节点下，右键单击定义，单击变量，在变量1的设置窗口中，定位到标签栏，输入双椭球热源。
本发明实施例中建立模型尺寸长方体300*300*25(ext1)，长方体 400*400*40(ext2)，球r＝1000，层＝300(sph1)。
在定义窗口下选择“域7、8、13”标定为焊接试件，选择“域6”标定为加密区空气层，选择“域5”标定为内部空气层，选择“域1、2、3、4、9、10、11、12”标定为无穷远空气层。
在定义窗口下，建立虚构域，在虚构域中右键单击无线元域1，在无线元域1的域选择栏中选择“无穷远空气层”。
指派材料属性，其他域全部赋予材料库中Air，材料库1045[solid,unknown]中添加硬化函数后赋予焊接试件。
在固体传热接口下，域选择“焊接试件”，在物理场工具栏中右键单击热源，右键单击热通量，右键单击表面对环境热辐射。
点击热源，选择“域8”，在热源的设置窗口中，定位到热源栏，单击广义源按钮，在QO文本框中键入“q”。
点击热通量，选择“所有边界”，在热通量的设置窗口中，定位到热通量栏，单击对流热通量按钮，在h文本框中键入“20”，在Text文本框中键入“293.15”。
点击表面对环境辐射，选择“所有边界”，在表面对环境辐射的设置窗口中，定位表面对环境辐射栏，单击表面发射率按钮，在文本框中键入“0.85”，在Tarmh文本框中键入“293.15”。
在固体力学接口下，域选择“焊接试件”，在模型开发器窗口中右键单击线弹性材料，然后选择塑形，定位到塑形模型栏，在塑形模型文本框中选择大塑形应变，在屈服函数文本框中选择von Mi ses应力，在初始屈服应力文本框中选择来自材料，在各向同性硬化模型中选择硬化函数。
在固体力学接口下，在物理场工具栏中选择固定约束，选择“边界18，49”。
在磁场，无电流接口下，域选择所有域，在模型开发器窗口的组件1(comp1)节点下，单击磁场，无电流(mfnc)，在磁场，无电流的设置窗口中，定位到背景磁场栏，从求解列表中选择约化场，将H b矢量指定为下表：
表3 H b矢量表
在磁场，无电流接口下，在模型开发器窗口的组件1(comp1)，右键单击磁场，无电流(mfnc)，选择磁通量守恒，在磁通量守恒的设置窗口中，域选择,“焊接试件”定位到本构关系B-H栏，在磁化模型文本框中选择剩余磁通密度。
在网格工具栏中选择自由三角形网格，选择“边界21、26、47”，右键单击自由三角形网格，并选择大小，单击定制按钮，在最大单元大小关联文本框中键入“12”，在最小单元大小关联文本框中键入“6”，在最大单元增长率关联文本框中键入“5”，在曲率因子关联文本框中键入“1”，在狭窄区域分辨率关联文本框中键入“15，单击构建选定对象。
在网格工具栏中单击扫掠，在扫掠的设置窗口中，定位到域选择栏，从几何实体层列表中选择“域”焊接试件，右键单击扫掠1并选择分布，在分布的设置窗口中，定位到分布栏，在单元数文本框中键入“30”，单击全部构建。
在网格工具栏中单击自由四面体网1，右键单击自由四面体网格1，并选择大小，在大小的设置窗口中，定位到几何实体选择栏，从几何实体层列表中选择“域”加密区空气层，单击定制按钮，定位到单元大小参数栏。选中最小单元大小复选框，在最大单元大小关联文本框中键入“15”，在最小单元大小关联文本框中键入“6”，在最大单元增长率关联文本框中键入“5”，在曲率因子关联文本框中键入“0.2”，在狭窄区域分辨率关联文本框中键入“1”，单击构建选定对象。
在网格工具栏中单击自由四面体网格2，右键单击自由四面体网格2并选择大小，在大小的设置窗口中，从几何实体层列表中选择“域”内部空气层，定位到单元大小栏,从预定义列表中选择较细化，单击构建选定对象。
在网格工具栏中单击自由四面体网格3，右键单击自由四面体网格2并选择大小，在大小的设置窗口中，从几何实体层列表中选择“域”无穷远空气层，定位到单元大小栏。从预定义列表中选择常规，单击构建选定对象。
在模型开发器窗口的研究1节点下，单击步骤：瞬态，在瞬态的设置窗口中，定位到研究设置栏，在输出时间文本中键入range(0.0.5,200),range(200,1,500)， range(500,1.5,1000),range(1000,2,2000),range(2000,4,4000),在瞬态的设置窗口中，定位到物理场和变量选择栏,在表格中，清除磁场无电流(solid)的求解复选框。
在研究工具栏中单击研究步骤，然后选择稳态>稳态,在稳态的设置窗口中，定位到物理场和变量选择栏，清除固体传热(ht)的求解复选框和多物理耦合热膨胀的求解复选框。
右键单击研究显示默认求解器，单击求解器配置以展开瞬态求解器，单击瞬态求解器>分离，单击常规栏，定位到最大迭代次数，键入50，单击分离>温度，定位到方法和终止栏，在非线性方法栏中选择自动高度非线性，单击固体力学，定位到方法和终止栏，在非线性方法栏中选择自动高度非线性。
在研究工具栏中单击计算，在结果下的数据集右击三维截线，输入相应的线数据，得到残余应力分布及漏磁信号分布。
综上所述，本发明提供的一种基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，通过移动的双椭球下热源，考虑材料的塑性应变，材料表面的热辐射与自然对流对于温度场的影响，利用结构力学模块模拟随着热源移动，试件产生的热应力以及试件的变形情况，得到焊接温度场分布规律、应力分布规律，然后利用磁场，无电流模块，模拟焊接结构内部残余应力与外部漏磁场信号的关系，得到漏磁场信号的分布规律，该方法能够很好的预测焊接过程各点的温度、应力及漏磁信号，对认识焊接过程、预测和控制焊接质量提供技术支持和理论参考。通过对钢结构焊接过程的温度- 应力场-漏磁场进行模拟，得到钢结构焊接后的残余应力以及漏磁信号，通过漏磁型号与残余应力模拟的结果信号对比，得出两者之间的关系。能够指导工程上利用磁设备检测出来的漏磁信号反推焊接残余应力的问题，解决了传统模拟过程中只预测残余应力而导致工程意义不足的问题。
以上结合具体实施方式(包括实施例和实例)详细描述了本发明的概念、原理和思想。本领域技术人员应理解，本发明的实施方式不止上文给出的这几种形式，本领域技术人员在阅读本申请文件以后，可以对上述实施方式中的步骤、方法、系统、部件做出任何可能的改进、替换和等同形式，这些改进、替换和等同形式应视为落入在本发明的范围内，本发明的保护范围仅以权利要求书为准。
Claims (9)
1.一种基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，其特征在于，包括：
步骤1、建立钢结构焊接三维模型，并输入材料的热物理参数和温度边界条件；
步骤2、在所述钢结构焊接三维模型上施加双椭球热源进行温度场计算；
步骤3、考虑温度场引起的体积变量和弹塑性变量，将所述温度场作为预定义场进行应力场计算；
步骤4、基于所述钢结构焊接三维模型建立空气层和无限元域,具体包括：
步骤4.1、基于COMSOL软件建立稳态磁场和无电流物理场；
步骤4.2、基于所述稳态磁场和所述无电流物理场建立空气层和无限元域三维模型，其中所述空气层由内向外依次包括加密区空气层，内部空气层和无穷远空气层；
步骤4.3、在所述空气层和所述无限元域三维模型中输入热性能材料属性参数；
步骤4.4、对所述空气层和所述无限元域三维模型进行网格划分；
步骤5、基于所述空气层和所述无限元域，将所述应力场作为预定义场进行磁场计算。
2.根据权利要求1所述的基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，其特征在于，所述步骤1建立钢结构焊接三维模型，并输入材料的热物理参数和温度边界条件进一步包括：
步骤1.1、基于COMSOL软件建立瞬态固体传热物理场和固体力学物理场；
步骤1.2、基于所述瞬态固体传热物理场和所述固体力学物理场建立钢结构焊接三维模型；
步骤1.3、在所述钢结构焊接三维模型中输入热性能材料属性参数；
步骤1.4、对所述钢结构焊接三维模型进行网格划分；
步骤1.5、建立所述钢结构焊接三维模型的热边界条件，并将其输入到模型中。
3.根据权利要求2所述的基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，其特征在于，所述步骤1.4对所述钢结构焊接三维模型进行网格划分包括：采用扫掠的方式对所述钢结构焊接三维模型进行网格划分。
4.根据权利要求2所述的基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，其特征在于，所述钢结构焊接三维模型的热边界条件包括：
对流传热，计算公式为：
q0＝h*(T0-T)
式中，T0为环境温度，T为焊接时材料的温度，h为传热系数；
辐射传热，计算公式为：
hR＝εσ(T+T0)(T2+T0 2)
式中，ε为辐射发射率,σ为Stefan常数，T0为环境温度，T为焊接时材料的温度。
5.根据权利要求1所述的基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，其特征在于，所述步骤2在所述钢结构焊接三维模型上施加双椭球热源进行温度场计算进一步包括：
步骤2.1、在所述钢结构焊接三维模型中输入热源参数，背景磁场参数，力磁本构关系插值函数，焊接方式和焊接材料参数；
步骤2.2、根据步骤2.1输入的参数建立双椭球热源模型，所述双椭球热源模型的表达式为：
q(x,y,z)＝qf(x,y,z)+qr(x,y,z)
其中，
ff+fr＝2
Q＝ηUI
式中，qf为前半部分热源密度，qr为后半部分热源密度，a,b,cf,cr均为热源形状参数；ff为热源前端占总热源的比例；fr为热源后端占总热源的比例；x,y,z为双椭球热源模型的任意点坐标；v为热源移动速度；t为热源移动时间；Q为热源输入；η为焊接热源热效应，U和I分别为焊接时输入的电压和电流。
6.根据权利要求1所述的基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，其特征在于，所述步骤3考虑温度场引起的体积变量和弹塑性变量，将所述温度场作为预定义场进行应力场计算进一步包括：
步骤3.1、在所述钢结构焊接三维模型中输入材料力学参数；
步骤3.2、计算固态相变时由弹性变量、塑性变量和体积变量所引起的综合应变增量，其数学表达式为：
d＝dE+dp+df
式中，dE为弹性变量引起的应变增量，dp为塑性变量引起的应变增量，df为体积变量引起的应变增量；
其中，dE和dp分别采用热弹塑性有限元方法计算，
df的计算公式为：
df＝α*ΔT
式中，α为热膨胀系数，ΔT为单位体积变量。
7.根据权利要求1所述的基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，其特征在于，所述空气层和所述无限元域三维模型的体心位置与所述钢结构焊接三维模型的体心位置一致，且所述空气层和所述无限元域的形状为球形。
8.根据权利要求1所述的基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，其特征在于，所述步骤4.4对所述空气层和所述无限元域三维模型进行网格划分包括：选择自由四面体对所述空气层和所述无限元域进行网格划分。
9.根据权利要求1所述的基于COMSOL的焊接过程中残余应力及其漏磁场的预测方法，其特征在于，所述步骤5基于所述空气层和所述无限元域，将所述应力场作为预定义场进行磁场计算包括：
步骤5.1、在磁场和无电流接口下，建立背景磁场及磁化模型，其中所述背景磁场的数学表达式为：
X方向磁场强度为：H0Gx
Y方向磁场强度为：H0Gy
Z方向磁场强度为：H0Gz
H0＝43.637A/m
Gx＝0.065735
Gy＝-0.85925
Gz＝0.5073
式中，H0为背景磁场强度的大小，Gx为单位背景磁场强度方向在X方向的分量，Gy为单位背景磁场强度方向在Y方向的分量；Gz为单位背景磁场强度方向在Z方向的分量；
磁化模型的数学表达式为：
B＝μ0H+Br
μ0＝500
式中，μ0为相对磁导率，H为背景磁场，Br为剩余磁通密度模；
步骤5.2、根据力磁本构关系分别在瞬态和稳态下进行磁场计算，得到残余应力分布及漏磁信号分布，其中所述力磁本构关系包括拉应力和压应力两种情况，
拉应力状态下磁化强度的微分表达式为：
其中，c＞0
a＝μ0μ/(kBT)
式中，M为磁化强度，σ为应力，Es是弹性模量，ξ为与能量密度相关的系数，η是评估应力对不可逆磁化强度影响的参数，+ηEs为拉应力下加载过程的修正，-ηEs为拉应力下卸载过程的修正，c是评估初始磁化率与初始无应力磁化比值的参数，Mirr为不可逆磁化强度，Man为非磁滞磁化强度，Ms表示饱和磁化强度，μ为原子磁矩，μ0为真空磁导率，T是温度，kB是玻尔兹曼常数，H是外磁场，ω为描述原子间相互作用的材料参数，ω0是无应力下的材料参数，λS0是无应力下的饱和磁致伸缩系数，B、θ和ζ为材料参数，ζ是描述材料受外磁场影响大小的参数，c11、c12为弹性系数；
压应力状态下磁化强度的微分表达式为：
其中，c＜0
式中，为压应力下加载过程的修正，/>为压应力下卸载过程的修正。
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Non-Patent Citations (15)
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