[发明专利]提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法

说明书

技术领域

    本发明涉及属于焊接分析预测领域，特别涉及一种提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，主要用于提高焊接数值模拟与工程实际的吻合程度。具体涉及解决位移场结构最终变形精度问题的策略，作为焊接工程应用中，有效提高仿真精度建立的新的数值方法。

背景技术

焊接数值模拟主要研究以温度和位移为变量的耦合计算，需要采用顺序耦合的分析方式，先进行温度场的计算，再将计算结果作为初始条件加入到位移场的计算中。在位移场的计算中，有待解决的是热源温度经常高达材料沸点，导致单元畸变，位移解发散，如何建立一种方法可以避免高温，同时提高结果精确度成为一个亟待解决的问题。

关于解算位移场中如何避免高温且使最终变形达到一定的精度的问题，早在1991年，P. Tekriwal等通过对薄板间进行高温气体电弧焊的研究得出，当焊接温度高于熔点时，温度值的增加对残余应力和残余变形的计算结果影响很小。因此，将熔点以上的高温都降低为熔点温度。这初步形成了高温截断的思想，但熔点以下的温度值是否有更好的仿真效果却没有加以考虑。2004年X. K. Zhu等对板间采用搅拌摩擦焊的研究中发现，当截断温度在熔点以下一定范围内，随着截断温度的变化，残余应力的改变值比较微小，而随着截断温度的降低，计算时间却大大减小，因此将截断温度取为熔点的2/3。遗憾的是，作者并没有很好的考虑焊接变形的精度问题，对截断温度的选取很难有强大的说服力。2009年，J. Grirao等在研究ITER真空室侧壁板间焊接时依然沿用了高温截断的方法，但在截断温度的选取上仅仅是为了加速计算收敛，同样没有考虑精度问题。目前，在国外，尚无具体的方法解决此类问题，而国内此类问题的研究则少之又少。通过国内外相关文献搜索，在焊接仿真分析领域中，未发现有类似的针对位移场有效的提高仿真精度的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，解决了现有焊接仿真领域中不能很好的模拟结构最终变形的问题，本发明提出一种准确模拟结构变形的数值方法，即利用转化高温区为截断温度的机理，设计了一种提高位移场仿真精度的快速数值分析方法。本发明通过大量试验以及数值模拟，针对焊接仿真中出现的这类难题，提出自适应高温截断方法，这种方法能够克服过往研究的种种弊病，在解算位移场时，科学的选取了截断温度，建立了自适应高温截断技术，并提出截断参数的阈值优化方法，同时，设计了优化评价准则。避免了高温导致的单元畸变，位移解发散的窘境，在大大节省计算时间的基础上，提高了仿真模拟的精度。

利用此方法，可以在解算位移场的过程中，基于材料属性对截断温度进行阈值优选，建立自适应高温截断策略，得到收敛且较为精确的位移解。本发明提供的数值方法能够更精确的模拟焊接结构最终变形，可应用于焊接分析预测领域提高数值模拟的精度。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，包括如下步骤：

在解算位移场的过程中：

（1）    建立基于多误差加权的评价标准；

（2）    定义参数并对截断温度进行阈值优化；

（3）    将温度场结果作为初始条件加入到位移场的计算中；

（4）    对模型的所有节点检查截断条件；

（5）    循环载荷步求解。

其中，所述步骤（1）的建立基于多误差加权的评价标准是：基于多误差加权的分析方法建立结果优劣的评价标准；评价标准兼顾模型精度和仿真计算时间，并根据模型的不同进行相应的修改与拓展，为焊接数值模拟的结果评价提供良好的参照标准。

所述步骤（2）的定义参数并对截断温度进行阈值优化是：定义模型的节点总数、载荷步总数以及截断温度。截断温度的确定是整个高温截断流程的重中之重。为了寻求最优的截断温度，需要对截断温度的范围加以限制。由于在焊接过程中，温度在熔点以上，温度值的增加对残余应力和残余变形的计算结果影响很小；而在力学熔点以下，又很难满足位移解精度的要求。因此，将截断温度的阈值设定为材料熔点和力学熔点。

所述步骤（3）的将温度场结果作为初始条件加入到位移场的计算中是：由于焊接数值模拟主要研究的是以温度和位移为变量的耦合计算，而温度场的计算比较容易，且不会发生解发散的情况。采用顺序耦合的分析方式，先进行温度场的计算，得出温度场的计算结果后将其作为初始条件加到位移场的计算中，得到各节点的初始温度值。