大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法及系统

本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，特别是涉及一种大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法及系统。

背景技术：

1、在航空制造领域，为了满足轻量化需求，搅拌摩擦焊接(friction stir welding，fsw)技术已经广泛应用。大尺寸构件的搅拌摩擦焊接(fsw)构件，其焊后变形会严重影响构件的装配，并会产生装配应力影响构件的可靠性，尤其是航空航天领域中的大尺寸薄壁构件。因此，焊接变形的有效控制极为重要。通过计算机仿真技术对焊接变形进行有效的仿真预测是实现工艺控制的有效途径。

2、热弹塑性法是进行焊接变形预测的常用方法。该方法虽然具有较高的预测精度，但是计算过程复杂，单元依赖性强，计算耗时长，难以应用于大型复杂结构。目前对于大尺寸构件焊接变形预测的主流方法是基于固有应变思想的方法。传统的固有应变法的载荷加载方式较多地依赖于经验公式，对于复杂类型的焊接接头需要进行大量的试验数据和分析来拟合出相应的公式。基于热弹塑性分析的固有应变方法将焊接过程中的瞬态热力效应转换为固有应变，基于局部-整体映射思想进行计算，能够显著提高计算效率。但该方法对于局部精细模型需要进行完整焊接过程的应力分析(焊接+冷却过程+应力释放过程)，相对而言耗时较长；在二维模型计算中需要通过计算获得对应的载荷力以及载荷力矩，载荷力矩的尺寸依赖性很强，对于复杂结构该力矩不易确定；对“整体”模型采用弹性有限元分析，在反映焊接失稳机理方面有局限性，对于复杂结构的焊接变形预测偏差较大。

3、也有学者研究基于应力映射的弹性分析方法，该方法通过坐标转换进行残余应力的映射，映射过程较为复杂；该方法的整体模型为三维模型，计算相对耗时较多；该方法的整体模型也应用弹性有限元分析，未考虑焊接变形的失稳本质，对于复杂结构的焊接变形预测精度不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法及系统，可提高搅拌摩擦焊接变形预测的效率和精度。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法，包括：

4、确定搅拌摩擦焊接构件上包含焊缝结构的子构件模型；所述搅拌摩擦焊接构件的尺寸大于尺寸阈值；

5、建立子构件模型的三维精细有限元模型；

6、对子构件模型的三维精细有限元模型进行焊接过程的传热和热应力分析，获得峰值应力的纵向应力分布曲线；

7、依据峰值应力的纵向应力分布曲线，对子构件模型的三维精细有限元模型进行应力区域划分；

8、根据应力区域划分后的三维精细有限元模型，建立搅拌摩擦焊接构件整体的二维稀疏网格有限元模型；

9、计算应力区域划分后的三维精细有限元模型中每个应力区域的平均纵向应力；

10、根据每个应力区域的平均纵向应力，确定每个应力区域的等效温度载荷；

11、将每个应力区域的等效温度载荷施加到所述二维稀疏网格有限元模型的对应区域内，并进行线性屈曲计算，获得非零一阶正特征值对应的变形模态；

12、将所述非零一阶正特征值对应的变形模态作为初始变形施加到二维稀疏网格有限元模型上，同时将每个应力区域的等效温度载荷施加到所述二维稀疏网格有限元模型的对应区域内，采用弧长法进行非线性屈曲分析，预测搅拌摩擦焊接构件的焊接变形。

13、一种大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测系统，包括：

14、子构件模型确定模块，用于确定搅拌摩擦焊接构件上包含焊缝结构的子构件模型；所述搅拌摩擦焊接构件的尺寸大于尺寸阈值；

15、精细模型建立模块，用于建立子构件模型的三维精细有限元模型；

16、热分析模块，用于对子构件模型的三维精细有限元模型进行焊接过程的传热和热应力分析，获得峰值应力的纵向应力分布曲线；

17、区域划分模块，用于依据峰值应力的纵向应力分布曲线，对子构件模型的三维精细有限元模型进行应力区域划分；

18、稀疏模型建立模块，用于根据应力区域划分后的三维精细有限元模型，建立搅拌摩擦焊接构件整体的二维稀疏网格有限元模型；

19、平均纵向应力计算模块，用于计算应力区域划分后的三维精细有限元模型中每个应力区域的平均纵向应力；

20、等效温度载荷计算模块，用于根据每个应力区域的平均纵向应力，确定每个应力区域的等效温度载荷；

21、变形模态获得模块，用于将每个应力区域的等效温度载荷施加到所述二维稀疏网格有限元模型的对应区域内，并进行线性屈曲计算，获得非零一阶正特征值对应的变形模态；

22、预测模块，用于将所述非零一阶正特征值对应的变形模态作为初始变形施加到二维稀疏网格有限元模型上，同时将每个应力区域的等效温度载荷施加到所述二维稀疏网格有限元模型的对应区域内，采用弧长法进行非线性屈曲分析，预测搅拌摩擦焊接构件的焊接变形。

23、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

24、本发明公开一种大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法及系统，将焊接变形的仿真预测分为精细三维网格的子构件模型分析和稀疏二维网格的整体模型分析两个过程，仅对小尺寸的子构件模型进行焊接过程的焊接应力计算，省去了焊接后应力释放过程的焊接应力和变形的计算，提高了搅拌摩擦焊接变形预测的效率；应用非线性屈曲分析来预测大尺寸搅拌摩擦焊接构件整体的二维稀疏网格有限元模型的焊接变形，更加符合焊接失稳变形的本质，能够高精度地预测大尺寸结构的复杂焊接变形。

技术特征：

1.一种大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法，其特征在于，所述子构件模型包含夹具约束范围内的焊缝结构，所述子构件模型的宽度为夹具约束内的宽度，所述子构件模型的长度是焊接达到稳态所需长度的2倍或以上，所述子构件模型的厚度与实际结构相同。

3.根据权利要求1所述的大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法，其特征在于，建立子构件模型的三维精细有限元模型，具体包括：

4.根据权利要求1所述的大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法，其特征在于，对子构件模型的三维精细有限元模型进行焊接过程的传热和热应力分析，获得峰值应力的纵向应力分布曲线，具体包括：

5.根据权利要求1所述的大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法，其特征在于，依据峰值应力的纵向应力分布曲线，对子构件模型的三维精细有限元模型进行应力区域划分，具体包括：

6.根据权利要求1所述的大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法，其特征在于，根据应力区域划分后的三维精细有限元模型，建立搅拌摩擦焊接构件整体的二维稀疏网格有限元模型，具体包括：

7.根据权利要求1所述的大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法，其特征在于，每个应力区域的平均纵向应力的计算公式为：

8.根据权利要求7所述的大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法，其特征在于，每个应力区域的等效温度载荷的计算公式为：

9.根据权利要求1所述的大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法，其特征在于，将所述非零一阶正特征值对应的变形模态作为初始变形施加到二维稀疏网格有限元模型上，具体包括：

10.一种大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测系统，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开一种大尺寸搅拌摩擦焊接构件的焊接变形快速预测方法及系统，属于搅拌摩擦焊接领域。将焊接变形的仿真预测分为精细三维网格的子构件模型分析和稀疏二维网格的整体模型分析两个过程，仅对小尺寸的子构件模型进行焊接过程的焊接应力计算，省去了焊接后应力释放过程的焊接应力和变形的计算，提高了搅拌摩擦焊接变形预测的效率；应用非线性屈曲分析来预测大尺寸搅拌摩擦焊接构件整体的二维稀疏网格有限元模型的焊接变形，更加符合焊接失稳变形的本质，能够高精度地预测大尺寸结构的复杂焊接变形。

技术研发人员：高月华,刘其鹏,王善林,牛鹏亮,陈玉华
受保护的技术使用者：南昌航空大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14