[发明专利]钢铝过渡接头T型双侧间隔焊接过程数值模拟计算方法

摘要

一种钢铝过渡接头T型双侧间隔焊接过程数值模拟计算方法，属于焊接数值模拟领域。步骤包括：建立钢铝过渡接头焊接过程的三维或二维热力耦合计算模型；设置焊接模型的初始条件和边界条；确定T型接头带焊接角度的热源方程修正方法；建立T型双侧间隔焊接热源子程序；任务提交求解，并进行后处理和分析。优点在于，能够实现同时三维或二维T型接头双侧间隔焊接过程中的温度场及应力场的数值模拟计算。通过建立实际钢铝过渡接头的几何结构，并修正设置带角度的双侧间隔焊接热源模型，能够预测不同焊接线能量以及双侧间隔焊接时间对钢铝界面最高温度的影响，指导实际的焊接工艺参数和双侧焊接操作的时间间隔的选择。

主权项

一种钢铝过渡接头T型双侧间隔焊接过程数值模拟计算方法，其特征在于，具体步骤如下：第一步：建立钢铝过渡接头焊接过程的三维或二维热力耦合计算模型在通用有限元软件中建立三维部件或二维截面的整体几何模型，包括钢铝过渡接头、焊缝、已焊接的铝板和待焊接的钢板等多部件，并将不同部件分别进行合并或接触设置，装配构成整体几何模型；然后设置钢、纯铝和铝合金材料随温度变化的热物性参数，并将材料属性分别赋予相应结构部位；最后对整体部件进行网格划分，三维模型采用六面体单元网格、二维截面模型则采用四面体单元网格，并细分靠近焊缝位置的网格；第二步：设置焊接模型的初始条件和边界条件在初始步中设置部件的初始温度；然后建立直接热力耦合分析步，设置空气换热的边界条件参数：包括换热系数、空气温度，设置热辐射的条件参数，并选择通过用户自定义的热源子程序在整体部件上施加体热流；第三步：确定T型接头带焊接角度的热源方程修正方法基于平板焊接模型常用的椭圆或双椭圆体热源模型，针对T型接头的焊接带有一定角度的特点，对热源模型进行旋转修正；当在焊接中心点坐标(x0,y0)和焊接角度为a的条件下，对应于平板焊接时在(x,y)的热源输入量，T型焊接时相应热源输入位置为(x’,y’)需要根据下列方程进行旋转修正：x'＝x0+(x‑x0)·cos a‑(y‑y0)·sin ay'＝y0+(x‑x0)·sina+(y‑y0)·cosa上述旋转角a为绕X正轴逆时针旋转得到的夹角(0<a<360°)。为了简化，令角度n为焊接方向与X轴的夹角(0<n<90°)，则当焊接方向位于XY坐标体系中XY>0区域时，a＝n；当焊接方向位于XY<0区域时,a＝‑n。第四步：建立T型双侧间隔焊接热源子程序利用Fortran语言编辑子程序，建立T型双侧间隔焊接的整体热源模型；针对三维T型焊接接头的双侧间隔t1时间分别进行焊接，则其热源模型分为下面两部分：q1=63·ηUIa·b·c·ππ·exp[-3·(x1′-x1)2a2-3·(y1′-y1)2b2-3·(z-z1-v·t)2c2]]]>q2=63·ηUIa·b·c·ππ·exp[-3·(x2′-x2)2a2-3·(y2′-y2)2b2-3·[z-z2-v·(t-t1)]2c2]]]>其中，η为焊接热效率，U为焊接电压，I为焊接电流，ν为焊速，a、b、c为焊接热源的大小参数,t1为焊接间隔时间，t为计算时间；(x1,y1,z1)为第一侧先焊接的热源中心坐标，(x2,y2,z2)为第二侧后间隔焊接的热源中心坐标；(x1’,y1’)和(x2’,y2’)均是由于焊接角度导致热源坐标系旋转变化的对应位置，当令焊接方向与X轴夹角为n，0<n<90°时,由于T型双侧焊接过程中第一侧在坐标系XY<0区域，第二侧在坐标系XY>0区域，其表达式如下：x1'＝x1+(x‑x1)·cos(‑n)‑(y‑y1)·sin(‑n)y1'＝y1+(x‑x1)·sin(‑n)+(y‑y1)·cos(‑n)x2'＝x2+(x‑x2)·cosn‑(y‑y2)·sinny2'＝y2+(x‑x2)·sinn+(y‑y2)·cosn根据T型焊接接头双侧间隔焊接的特点，其先后经历了单侧焊接和双侧均有焊接影响的情况；因此，在子程序中根据焊接间隔时间将整体热源模型分为两部分：当t1﹥t≥0时，为单侧焊接，仅有第一侧焊接的热源q1作用；当t≥t1时，对侧开始焊接，需要增加第二侧的热源q2的作用；因此，三维双侧间隔焊接的整体热源模型q(x,y,z,t)为：q(x,y,z,t)=q1(t1>t≥0)q1+q2(t≥t1)]]>焊接在达到稳定以后，熔池形状固定，截面温度变化趋势一致，以使用二维焊接截面模型进行计算分析，研究焊接参数的影响，能够大大的缩短计算时间；二维T型双侧间隔焊接热源模型与三维模型上相同，只需要删除z轴在焊接移动方向的位置信息,用焊速来描述热源随时间的变化情况；T型接头双侧间隔焊接的二维热源模型q(x,y,t)如下：q1(x,y)=63·ηUIa·b·c·ππ·exp[-3·(x1′-x1)2a2-3·(y1′-y1)2b2-3·(-v·t)2c2]]]>q2(x,y)=63·ηUIa·b·c·ππ·exp[-3·(x2′-x2)2a2-3·(y2′-y2)2b2-3·[-v·(t-t1)]2c2]]]>q(x,y,t)=q1(x,y)(t1>t≥0)q1(x,y)+q2(x,y)(t≥t1)]]>第五步：任务提交求解，并进行后处理和分析选择热源模型子程序路径，建立任务并提交求解；在考虑材料随温度变化的热容，以及焊缝凝固过程潜热对温度的影响，通用有限元软件主要基于传热控制的微分方程进行传热计算分析：ρc=∂T∂t=λ(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2).]]>