[发明专利]低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法

说明书

本发明公开了低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、建立低合金高强钢多层多道对接板结构焊接过程的热力耦合计算模型；步骤2、设置焊接模型的初始条件和边界条件；步骤3、建立焊接的热源模型及求解任务；步骤4、任务提交求解并进行后处理。通过本发明的方法能实现对低合金高强钢厚板双丝焊接过程的温度场及应力场的模拟计算，能通过模拟得到厚板对接结构焊接后构件上的应力分布及变形情况，预判构件在使用过程中失效位置，指导实际使用。

技术领域

本发明属于焊接数值模拟技术领域，具体涉及一种低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法。

背景技术

在工程机械、船舶、高层建筑、压力容器等制造领域，低合金高强钢的焊接工艺是制造的关键工序，由于低合金高强钢对大输入适应性差，容易出现脆化现象，所以现多采用双丝焊接的方法。焊接过程具有高温、瞬时、动态等特点，以及双丝焊焊缝及母材将经受前后两次连续的焊接热循环，因此使用传统的测试方法难以准确获得双丝焊接过程中焊接构件上温度、应力等参量的变化情况。随着计算机硬件和数值分析技术的发展，通过对双丝焊接过程建立物理模型，并采用合适的数值分析方法对物理模型进行求解，获得求解域内的状态变量；可以精确预测双丝焊接过程中焊件上温度及应力分布，弥补了传统实验方法的不足。

发明内容

本发明的目的是提供一种低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，解决了现有技术中存在的低合金高强钢厚板的双丝焊接过程中焊件温度变化及焊后残余应力、变形难以预测的问题。

本发明所采用的技术方案是，低合金高强钢厚板双丝焊接的数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立低合金高强钢多层多道对接板结构焊接过程的热力耦合计算模型；

步骤2、设置热力耦合计算模型的初始条件和边界条件；

步骤3、建立焊接的热源模型及求解任务；

步骤4、任务提交求解并进行后处理。

本发明的特征还在于，

步骤1具体按照以下步骤实施：

步骤1.1、利用三维造型软件对母材、焊缝建立三维实体模型，并将其合并为整体的几何模型；

步骤1.2、利用编程语言定义母材及焊缝材料随温度变化的物理性能参数，并将材料属性分别赋予相应结构部位；

步骤1.3、对步骤1.1得到的几何模型按照从焊缝向周围扩散的顺序进行局部网格划分，最终得到热力耦合计算模型。

步骤1.3具体为，先利用过渡单元对有限元模型的面进行划分，然后采用扫掠的方式对模型整体进行网格划分。

步骤2具体为，在初始步中设置焊接构件的初始温度和温度场的边界条件，建立直接热力耦合分析步，并选择通过用户自定义的热源子程序在焊接构件整体上施加随时间变化的体热流。

所述温度场的边界条件包括对流和热辐射。

步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、基于平板焊接模型用的椭圆或双椭球热源模型，针对厚板的焊接电弧对熔深有挖掘作用的特点，采用双椭球对热源模型，并对前后不同热源模型进行修正；

在直角坐标系中，当焊接中心坐标为(x₀，y₀，z₀)，平板焊接时双热源热输入前丝位置为(x，y，z)、后丝位置为(x，y，z₁)；

步骤3.2、利用APDL编程语言编辑子程序，建立厚板双丝焊接的整体热源模型，其热源模型分为四个部分，具体的热流密度分布函数为：

前丝前半部分椭球内的热流密度分布函数为：