一種焊接數值模擬輔助實驗測量殘余應力的方法技術

一種焊接數值模擬輔助實驗測量殘余應力的方法，包括步驟：1）根據被焊工件參數，建立3D有限元模型，進行焊接過程數值模擬，獲得工件的殘余應力分布；2）分析殘余應力分布特征，選擇打孔測量位置，并計算這些測量位置的應力梯度；3）在應力梯度大的測量位置，選擇尺寸較小的應變花；4）粘貼應變花，用盲孔法進行殘余應力測量，比較模擬結果和測量結果；5）若結果相差較大，沿焊縫方向重新選擇一個位置，再進行測量，若兩次測量結果誤差較大，則重復該步驟；6）重復步驟4）直至完成所有選定位置的殘余應力測量。本發明專利技術能夠更準確地得到峰值應力的大小的位置，使得殘余應力的測量能夠有的放矢，提高測量效率，保障測量結果的有效性和準確性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于殘余應力測量
，涉及。
技術介紹
焊接是現代制造業中最為重要的材料成形和加工技術之一。在焊接結構的制造過程中，局部不均勻的熱輸入導致焊接應力的產生，冷卻后保留在焊件內部的應力即為焊接殘余應力。焊接殘余應力是影響構件承載能力和服役壽命的主要因素之一，實驗測量和理論預測焊接殘余應力具有重要的理論意義和工程價值。在平板對接焊中，焊縫及熱影響區的金屬在經歷焊接熱循環后通常會形成拉伸的縱向殘余應力，峰值應力達到材料的屈服強度，而母材的縱向殘余應力值較小，因而形成局部區域應力梯度較大的殘余應力分布，應力梯度可達200 MPa/mm。在采用能量非常集中的高能束焊接方法時，或者采用發生固態相變的焊接材料進行焊接時，又或者對材料熱物理性能和力學性能相差較大的異種鋼進行焊接時，在焊接接頭處可能會產生應力梯度更大的殘余應力分布。這種應力梯度較大區域的殘余應力分布和焊接接頭峰值應力的大小與位置一直是工程實際關注的重點。隨著計算機技術的快速發展和計算焊接力學的日臻完善，數值模擬方法作為實驗測量的輔助手段，逐漸應用于焊接結構殘余應力的分析中。諸多實例證明，如果建立具有一定精度的材料模型，采用數值模擬方法可以獲得具有較高精度的計算結果，有效地解決工程實際問題。但是，由于焊接過程十分復雜，涉及到溫度、組織和應力等多場耦合，且具有多重非線性特點，因此，數值模擬方法無法完全代替實驗測量，目前仍需要采用實驗進行驗證。焊接殘余應力的實驗檢測主要有盲孔法、輪廓法、X射線衍射法、中子衍射法等。X射線衍射法、中子衍射法等檢測方法不會對工件造成破壞，但設備昂貴、操作復雜，而且只能測量被焊工件表面淺層殘余應力。盲孔法、輪廓法屬于破壞性檢測手段，具有理論完善、技術成熟、測量精度較高等優點。其中，盲孔法用于測量各向同性線彈性材料近表面的殘余應力，適用于測量金屬材料面內應力梯度較小的應力狀態，對被測工件的破壞較小，能夠用于測量表面應力分布復雜的焊接結構，目前已成為工程上最常用的殘余應力測量方法。然而，用盲孔法測量應力梯度大的殘余應力分布，具有效率低、準確性差、成本高等不足。一方面，對于具有應力梯度大的殘余應力分布特點的焊接工件，一般僅憑經驗很難判斷峰值應力所在位置，實驗測量需要耗費很多時間和測量耗材。另一方面，由于盲孔法是通過鉆孔移除材料釋放殘余應力，并由事先貼在小孔周圍的應變花測量釋放的應變量，再根據彈性力學原理計算出殘余應力，從本質而言，盲孔法得到是所鉆孔洞邊界內局部殘余應力的平均值，理論上應變花尺寸越小越能準確測出鉆孔位置的殘余應力值。因此，需要借助焊接數值模擬手段判斷峰值應力區域，并且在應力梯度大的區域，需要使用孔心片心距更小的應變花進行測量。
技術實現思路
為了提高盲孔法的測量效率和保證測量結果的有效性，使測量結果真實反映焊接工件殘余應力分布特征，并得到峰值應力的位置和大小，本專利技術提出。本方法的主要步驟如下: 1、根據被焊工件材料、尺寸和焊接參數，建立3D有限元模型，利用熱-彈-塑性有限元計算方法進行焊接過程數值模擬，獲得整個工件的殘余應力分布； 2、分析殘余應力分布特征，在能充分反映殘余應力分布特點的區域，如峰值區域、平緩區域等，選擇打孔測量位置，并計算這些測量位置的應力梯度； 3、在應力梯度大(最好是大于100MPa/mm)的測量位置，選擇尺寸較小(最好是孔心片心距小于5 mm)的應變花，其他區域的應變花尺寸沒有特殊要求； 4、在選中的測量位置粘貼應變花，用盲孔法進行殘余應力測量，比較模擬結果和測量結果； 5、若模擬結果和測量結果相差較大(最好是超過100MPa)，則沿焊縫方向重新選擇一個位置，再次進行殘余應力測量加以驗證，若兩次測量結果誤差較大(最好是大于50 MPa),則重復該步驟； 6)重復步驟(4)直至完成所有選定測量位置的殘余應力測量。優選地，在步驟1)中，焊縫區寬度方向網格尺寸小于整個寬度的1/4，深度方向網格小于1/2，長度方向的網格尺寸小于焊接速度的值。優選地，在步驟1)中，對于中、高碳鋼焊接工件的數值模擬，應采用考慮冶金因素的熱-彈-力學有限元計算方法，提高計算精度； 優選地，在步驟2)中，在焊接過程穩定區域內選擇測量位置； 優選地，在步驟2)中，選擇打孔測量位置的間距不小于25 mm； 優選地，在步驟4)中，按GB/T 31310-2014或ASTM E837_13a標準執行盲孔法測量；優選地，在步驟5)中，在重新選取測量位置時，兩個測量位置的殘余應力模擬值相差小于5%，且兩點連線的應力變化小于5 MPa/mm； 進一步，在步驟6)中，測量結束后，由于沿焊縫方向應力梯度較小，可以沿焊縫方向將各測量點的測量結果投影到一條垂直于焊縫的直線上； 與現有技術相比，本專利技術具有以下優點: 在進行殘余應力測量之前，先通過數值模擬手段預測被焊工件中殘余應力的分布特點，再根據計算結果指導測量位置的選取，并針對不同的應力分布特點采取對應的測量策略，使得殘余應力的測量能夠有的放矢，提高測量效率，保障測量結果的有效性和準確性。【附圖說明】圖1焊接數值模擬輔助實驗測量殘余應力方法的流程圖； 圖2有限元模型； 圖3試件的縱向殘余應力分布云圖； 圖4盲孔法打孔測量位置分布示意圖； 圖5實際測量位置分布圖； 圖6數值模擬結果與測量結果對比圖。【具體實施方式】下面結合附圖和具體實施例，進一步闡釋本專利技術。應理解這些實例僅用于說明本專利技術而不用于限制本專利技術的范圍，在閱讀了本專利技術之后，本領域技術人員對本專利技術的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。圖1展示了一種焊接數值模擬輔助焊接殘余應力測量方法的流程圖。流程具體如下: 首先根據工件材料、尺寸和焊接參數建立有限元模型，并采用熱-彈-塑性有限元方法進行焊接過程數值模擬，得到殘余應力模擬結果。然后根據殘余應力分布特點，選擇盲孔法打孔測量位置和應變花尺寸。在選定的測量位置粘貼應變花后，進行殘余應力測量。在完成選定測量位置的殘余應力測量后，對比模擬結果與測量結果，若模擬結果與測量結果相差大于lOOMPa，應沿焊縫方向重新選擇一個位置，再次進行殘余應力測量加以驗證，若兩次測量結果誤差大于50MPa，且模擬結果與第二當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種焊接數值模擬輔助實驗測量殘余應力的方法，其特征在于包括以下步驟：1）根據被焊工件材料、尺寸和焊接參數，建立3D有限元模型，利用熱?彈?塑性有限元計算方法進行焊接數值模擬，預測整個工件的殘余應力分布；2）分析殘余應力分布特征，在能充分反映殘余應力分布特點的區域選擇盲孔法打孔測量位置，計算這些測量位置的應力梯度；3）在應力梯度大于100?MPa/mm的測量位置，選擇孔心片心距小于5?mm的應變花，其他區域的應變花尺寸沒有特殊要求；4）在選中的測量位置粘貼應變花，用盲孔法進行殘余應力測量，比較模擬結果和測量結果；5）若模擬結果和測量結果相差大于100?MPa，應沿焊縫方向重新選擇一個位置，再次進行殘余應力測量加以驗證，若兩次測量結果誤差大于50?MPa，則重復該步驟；6）重復步驟4）直至完成所有選定位置的殘余應力測量。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：鄧德安，李索，張彥斌，葉延洪，
申請(專利權)人：重慶大學，
類型：發明
國別省市：重慶;85