基于稳态传热分析的焊接接头残余应力高效计算方法

1.本发明涉及残余应力有限元计算技术领域，具体涉及一种基于稳态传热分析的焊接接头残余应力高效计算方法。


背景技术：

2.炼化装置大型化是当前世界石油行业发展的趋势，千万吨炼油、百万吨乙烯都已经在我国建成投产。随着石油行业设备大型化发展进程的推进，如何提高大型压力容器的焊接质量、焊接效率和焊接构件服役年限，成为建设施工单位迫切要解决的问题。
3.焊接残余应力对设备安全运行有严重的危害，焊接残余应力的存在是由焊接的自身特点导致的。焊接是集电弧物理、传热、冶金和力学为一体的复杂过程，具有高温、动态、瞬时等特征，是非平衡加热、冷却导致的高动态应力-应变过程，不可避免地会产生不可忽略的残余变形，对于复杂结构会产生残余应力。焊接残余应力的存在会引起焊缝处结构刚度减小、产生裂纹、出现脆性断裂等工艺缺陷。除此之外，随着焊接厚度的增加，沿厚度方向的残余应力分布对裂纹萌生和断裂有着较大的影响。因此焊接残余应力的预测就变得尤为重要。通过有限元软件对焊接过程进行模拟，可以得到焊接后应力场分布情况，对于焊接残余应力的研究和设备的服役年限预测具有重要的意义。
4.大型压力容器焊接结构的有限元模拟分析涉及到结果的准确性和效率问题。对于直径几米甚至更大压力容器来说，焊缝可多达数百道，使用传统的有限元模拟方法需要划分的网格动辄几十万网格，甚至上百万，这种数量的网格对于一般的力学分析来说可以接受，但对于焊接结构，每一个增量步相当于一次静力学分析，此时总的分析时间就变得极长。计算时间能达到数月，这样的计算效率无法满足大型压力容器焊接有限元残余应力预测。
5.常见的提高焊接有限元模拟计算效率的方法有：减少网格、降低维度，这两种方法以牺牲焊接有限元模拟的计算准确性为代价，不能从根本上解决问题。除此之外还有网格自适应法、局部-整体法、迭代子结构法、固有应变法等，其计算效率和计算准确性较差。因此开发一种用于大型压力容器焊接有限元模拟的高效工程方法，对于焊后残余应力的预测和研究以及焊接构件的服役年限预测具有极大地工程意义和经济意义。


技术实现要素：

6.基于上述背景技术，本发明的目的是提供一种基于稳态传热分析的焊接接头残余应力高效计算方法，通过将复杂冗长的瞬态有限元模拟变成一个时刻的静态模拟，大大节省温度场计算所需要的时间，提高残余应力计算效率及收敛性。
7.本发明采用以下的技术方案：
8.一种基于稳态传热分析的焊接接头残余应力高效计算方法，采用稳态有限元热模型，以欧拉坐标系为参考系，以焊枪作为参照物，进行温度场有限元分析，进而将稳态时刻的空间温度分布转化为全域的全过程焊接热循环，并代入瞬态应力场中计算，包括以下步
骤：
9.(1)稳态有限元温度场计算
10.(1.1)温度场的控制方程设置：
11.当热源的热量进入焊接接头的熔池后，焊接接头内部的热量传递以热传导为主，对于三维稳态传热问题，其温度场控制方程为：
[0012][0013][0014]
其中ρ是材料密度；t是传热时间；c是材料的比热容；λi是导热系数；t是温度场的分布函数；q
t
是内生热率；
[0015]
t＝t0是温度场的边界条件。
[0016]
上述技术方案中，当热量进入熔池后，焊接接头内部的热量传递则以热传导为主，焊接温度场的分析属于典型的非线性瞬态热传导问题，在热源的移动过程中，焊接接头温度不断随时间和空间发生急剧的变化，材料的热物性参数也随之剧烈变化，同时，焊接过程伴随着熔化、凝固和相变潜热现象。
[0017]
(1.2)建模型：
[0018]
在焊缝端部，熔池是不稳定的且温度变化比较剧烈，中间部分焊缝温度分布处于准稳态，为考虑多层焊层间温度的影响、实现温度的准确预测，温度场模型的长度应为实际焊缝长度与焊接速度乘以焊接时间的总和；
[0019]
上述技术方案中，稳态有限元模型进行有限元模拟时，如果构件没有冷却到环境温度，则需要考虑残余温度对后面焊道的影响。通过从上一层焊道的收弧端表面获取节点温度，并将其应用到下一层焊道的起弧端表面。
[0020]
(1.3)材料参数的赋予：
[0021]
焊接的构件在热传导上具有各向异性，因此在不同的方向上赋予不同方向上对应的热传导参数的数值；
[0022]
(1.4)分析步设置：
[0023]
将分析步中的响应设置为稳态，设置加热步骤时间；
[0024]
进一步地，步骤(1.4)中将加热步骤的时间长度设置为1秒；分析步中使用自动增量时间。
[0025]
上述技术方案中，材料的本构行为与时间无关，不存在瞬态有限元热模型中由温度引起的瞬态效应，因此加热步骤持续时间设置的数值大小，不会对计算结果有影响，由此，通常将加热步骤持续时间设置为1秒。分析步中使用自动增量时间。
[0026]
(2)有限元应力场计算
[0027]
将稳态有限元热模型输出的静态数据转化成瞬态节点温度数据，作为有限元应力场模型所需要的热载荷，进行热-力耦合计算；
[0028]
(2.1)稳态空间温度分布转化成全场焊接热循环数据：
[0029]
为了将稳态有限元热模型的热结果输入到有限元应力场模型中，要对稳态有限元热模型的结果进行如下处理：
[0030]
无相变的情况下：针对第i道焊缝，首先利用python软件编写的脚本程序对稳态热模型的结果进行读取，以起弧端面为起始，提取各个节点温度和坐标信息，利用matlab软件编写的温度和坐标信息筛选程序对提取出来的温度和坐标信息按照沿焊接方向进行筛选，然后绘制出起弧端面各个点的位置坐标-温度曲线，通过沿焊缝方向上的各个点的位置坐标除以实际焊接速度(公式3)得到起弧端面各个节点的沿焊缝方向的温度-时间曲线：即热循环曲线；
[0031][0032]
t为各节点温度所对应的时间；x为沿焊缝方向上坐标值；v为焊接速度；
[0033]
利用python软件创建瞬态温度场结果文件：第一，因为要创建瞬态温度场文件，并添上步中得到的热循环数据，因此应该导入的模块有：odb access、odb material、odb section和abaqus constants；第二，创建对象，对象包括材料属性和截面、部件实例、分析步和帧、节点和单元；第三，向瞬态温度场中添加场数据或热历史数据；第四，设置visuallization模块中的默认场输出，得到完整的瞬态温度场。
[0034]
为引入多层多道焊中后焊焊道j对已焊焊道的后热影响，需在稳态温度场计算云图中划定热影响区区域大小，对后焊焊道、已焊焊道和母材内的热影响区内节点温度都需进行提取及转化。
[0035]
将利用python软件得到的瞬态温度场结果导入到应力场的input文件中，通过应力场有限元分析得到完整的瞬态应力场残余应力的分布结果，即可完成多层多道焊接接头残余应力的计算；
[0036]
若材料在焊接过程中存在固态相变现象，则需将相变模型通过fortran语言编写成相变程序，嵌入到应力场有限元分析中以获得其残余应力分布和变形分布，即可完成多层多道焊接接头残余应力的计算；
[0037]
相变模型如下：
[0038]
贝氏体相变：
[0039]
其中t是实时温度；变量a1，b1，c
1 a2，b2，c2是函数拟合的参数，根据冷却速度确定；
[0040]
马氏体相变：xm＝xr(1-exp(-b
·
(m
s-t)))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0041]
其中ms是马氏体相变开始温度；t是实时温度；b是与马氏体生长速率相关的常数，通常取0.011；xr是残余奥氏体。
[0042]
本发明具有的有益效果是：
[0043]
本技术提出的基于稳态传热分析的焊接接头残余应力高效计算方法，是一种以改变温度场模拟方式来提高焊接有限元模拟整体计算效率的方法；发现焊接过程中的准静态阶段，以此对温度场建模进行稳态计算；在进行有限元模拟时忽略端部的影响，通过将复杂冗长的瞬态有限元模拟变成一个时刻的静态模拟，大大节省温度场计算所需要的时间，进而将稳态时刻的空间温度分布转化为全域的全过程焊接热循环，并代入应力场中计算，相对于瞬态的热力耦合计算减少了时间增量，降低非线性运算次数，解决了传统有限元模拟计算时间长，计算成本高的问题，提高了残余应力计算效率及收敛性，为大型压力容器的焊接有限元模拟提供了一种新的思路。
附图说明
[0044]
图1为欧拉参考系；
[0045]
图2为拉格朗日参考系；
具体实施方式
[0046]
下面结合附图对本发明进行具体的说明：
[0047]
大型压力容器在焊接时，通常是进行多层多道焊接，焊缝尺寸常以m为数量级，而熔池的尺寸则在mm级别或者cm级别，然而进行焊接有限元模拟时要求每一个增量步至少要小于焊接熔池的长度。因此，在保证有限元仿真质量前提下，网格的划分时少则几十万，多则需要几百万。对于具有数量如此庞大网格的有限元模型，进行热-力耦合计算时，每一个增量都要进行一次复杂的计算，总的计算时间长达数月甚至更久。如此低的计算效率难以满足工程应用的需要；目前常用的降低维度方法，即将三维的有限元模型简化成二维的有限元模型进行计算，但计算结果的准确性相对于三维有限元模型较低，容易产生计算结果的误差。
[0048]
本技术基于稳态传热分析的焊接接头残余应力高效计算方法，摒弃传统瞬态有限元模型的拉格朗日参考系，采用欧拉参考系，以焊枪作为参照物，通过材料参数在焊缝中流过来模拟焊接过程。不同于拉格朗日参考系的以研究同一空间所有质点的运动历程，欧拉参考系则研究不同空间的质点，在某一时刻的运动情况，不注重时间历程，所以温度场有限元计算耗时少。每单位面积的质量流量等于焊接速度乘以材料密度，用来表示焊枪的运动。欧拉参考系参见图1所示，拉格朗日参考系参见图2所示。
[0049]
作为其中的一个实施例，一种基于稳态传热分析的焊接接头残余应力高效计算方法，采用稳态有限元热模型，以欧拉坐标系为参考系，以焊枪作为参照物，进行温度场有限元分析，进而将稳态时刻的空间温度分布转化为全域的全过程焊接热循环，并代入进瞬态应力场的计算，包括以下步骤：
[0050]
(1)稳态有限元温度场计算
[0051]
(1.1)温度场的控制方程设置：
[0052]
当热源的热量进入焊接接头的熔池后，焊接接头内部的热量传递以热传导为主，对于三维稳态传热问题，其温度场控制方程为：
[0053][0054][0055]
其中ρ是材料密度；t是传热时间；c是材料的比热容；λi是导热系数；t是温度场的分布函数；q
t
是内生热率；
[0056]
t＝t0是温度场的边界条件。
[0057]
(1.2)建模型：
[0058]
在焊缝端部，熔池是不稳定的且温度变化比较剧烈，中间部分焊缝温度分布处于准稳态，为考虑多层焊层间温度的影响、实现温度的准确预测，温度场模型的长度应为实际焊缝长度与焊接速度乘以焊接时间的总和；
[0059]
(1.3)材料参数的赋予：
[0060]
焊接的构件在热传导上具有各向异性，因此在不同的方向上赋予不同方向上对应的热传导参数的数值；
[0061]
(1.4)分析步设置：
[0062]
将分析步中的响应设置为稳态，加热步骤的时间长度设置为1秒；分析步中使用自动增量时间。
[0063]
(2)有限元应力场计算
[0064]
将稳态有限元热模型输出的静态数据转化成瞬态节点温度数据，作为有限元应力场模型所需要的热载荷，进行热-力耦合计算；
[0065]
(2.1)稳态空间温度分布转化成全场焊接热循环数据：
[0066]
为了将稳态有限元热模型的热结果输入到有限元应力场模型中，要对稳态有限元热模型的结果进行如下处理：
[0067]
无相变的情况下：针对第i道焊缝，首先利用python软件编写的脚本程序对稳态热模型的结果进行读取，以起弧端面为起始，提取各个节点温度和坐标信息，利用matlab软件编写的温度和坐标信息筛选程序对提取出来的温度和坐标信息按照沿焊接方向进行筛选，然后绘制出起弧端面各个点的位置坐标-温度曲线，通过沿焊缝方向上的各个点的位置坐标除以实际焊接速度(公式3)得到起弧端面各个节点的沿焊缝方向的温度-时间曲线：即热循环曲线；
[0068][0069]
t为各节点温度所对应的时间；x为沿焊缝方向上坐标值；v为焊接速度；
[0070]
利用python软件创建瞬态温度场结果文件：第一，因为要创建瞬态温度场文件，并添上步中得到的热循环数据，因此应该导入的模块有：odb access、odb material、odb section和abaqus constants；第二，创建对象，对象包括材料属性和截面、部件实例、分析步和帧、节点和单元；第三，向瞬态温度场中添加场数据或热历史数据；第四，设置visuallization模块中的默认场输出，得到完整的瞬态温度场。
[0071]
为引入多层多道焊中后焊焊道j对已焊焊道的后热影响，需在稳态温度场计算云图中划定热影响区区域大小，对后焊焊道、已焊焊道和母材内的热影响区内节点温度都需进行提取及转化。
[0072]
将利用python软件得到的瞬态温度场结果导入到应力场的input文件中，通过应力场有限元分析得到完整的瞬态应力场残余应力的分布结果，即可完成多层多道焊接接头残余应力的计算；
[0073]
若材料在焊接过程中存在固态相变现象，则需将相变模型通过fortran语言编写成相变程序，嵌入到应力场有限元分析中以获得其残余应力分布和变形分布，即可完成多层多道焊接接头残余应力的计算；
[0074]
相变模型如下：
[0075]
贝氏体相变：
[0076]
其中t是实时温度；变量a1，b1，c
1 a2，b2，c2是函数拟合的参数，根据冷却速度确定；
[0077]
马氏体相变：xm＝xr(1-exp(-b
·
(m
s-t)))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0078]
其中ms是马氏体相变开始温度；t是实时温度；b是与马氏体生长速率相关的常数，通常取0.011；xr是残余奥氏体。
[0079]
选取长、宽、高分别为：200mm、380mm、8mm的单道焊模型进行方法验证计算。采用处理器为intel(r)xeon(r)cpu e5-2630 v3；内存为32.0gb。
[0080]
将稳态温度场和瞬态温度场计算效率进行对比，其结果见表1所示。
[0081]
表1稳态温度场和瞬态温度场计算效率对比
[0082] cpu计算时间/小时单道焊稳态热模型0.014单道焊瞬态热模型17.76提高效率99.9％
[0083]
将传统应力场和基于稳态的热模型应力场计算效率进行对比，其结果见表2所示。
[0084]
表2传统应力场和基于稳态的热模型应力场计算效率对比
[0085] cpu计算时间/小时单道焊传统应力场模型20.6基于稳态热模型单道焊应力场模型13.9提高效率33.5％
[0086]
可见，稳态热模型较传统的瞬态模型计算效率得到提高；基于稳态热模型应力场模型较传统的应力场模型计算效率得到提高。
[0087]
对于低碳钢和奥氏体不锈钢，固态相变对残余应力的影响较小，可以忽略；但对sa508-3、p92、ah36等材料则需要考虑固态相变对残余应力的影响。根据材料的不同相变选取不同的相变模型。
[0088]
本技术提出的基于稳态传热分析的焊接接头残余应力高效计算方法，是一种以改变温度场模拟方式来提高焊接有限元模拟整体计算效率的方法；发现焊接过程中的准静态阶段，以此对温度场建模进行稳态计算；在进行有限元模拟时忽略端部的影响，通过将复杂冗长的瞬态有限元模拟变成一个时刻的静态模拟，大大节省温度场计算所需要的时间，进而将稳态时刻的空间温度分布转化为全域的全过程焊接热循环，并代入应力场中计算，相对于瞬态的热力耦合计算减少了时间增量，降低非线性运算的次数，解决了传统有限元模拟计算时间长，计算成本高的问题，提高了残余应力计算效率及收敛性，为大型压力容器的焊接有限元模拟提供了一种新的思路。
[0089]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。