焊接数值模拟热弹塑性有限元方法(T-CWAN 0063—2023).pdf
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1、ICS 25.160.01CCS J 33团团体体标标准准T/CWAN 00632023焊接数值模拟 热弹塑性有限元方法Numerical welding simulation-Thermal elastic-plastic finite element method2023-12-27 发布2024-02-01 实施中国焊接协会发布T/CWAN 00632023I目次前言.II1 范围.12 规范性引用文件.13 术语和定义.14 基本流程.25 一般要求.26 焊接仿真分析模型建立规则.27 求解器设置.78 仿真结果评估.79 仿真分析报告.8附录 A(规范性)基于热弹塑性法焊接数值模拟
2、流程图.9附录 B(资料性)文档模板.10附录 C(资料性)对接接头 MAG 焊接的变形模拟仿真报告.11T/CWAN 00632023II前言本文件按照 GB/T 1.12020标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国焊接协会提出并归口。本文件起草单位:江苏徐工工程机械研究院有限公司、郑州机械研究所有限公司、哈尔滨职业技术学院、河南科技大学、中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司、中信重工机械股份有限公司、青岛海尔空调器有限总公司、哈尔滨电机厂有限责任公司、上海航天精密机械研究所、上
3、海工程技术大学、北京星航机电装备有限公司、南昌航空大学。本文件主要起草人:张立平、蹤雪梅、龙伟民、张贵芝、郝双双、魏世忠、孟政宇、滕彬、武汉琦、邹吉鹏、杨帆、宋玉军、徐殿鑫、彭赫力、彭根琛、秦建、纪昂、武鹏博、樊喜刚、张天理、郭鹏、张体明、于华、方乃文。T/CWAN 006320231焊接数值模拟 热弹塑性有限元方法1范围本文件规定了基于热弹塑性有限元方法的焊接数值模拟一般要求、仿真建模规则、求解器设置、仿真分析报告等内容。本文件适用于基于热弹塑性有限元方法的焊接结构件熔化焊焊接变形及焊接残余应力的焊接数值模拟。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其
4、中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T 3651 金属高温导热系数测量方法GB/T 4338 金属材料 高温拉伸试验方法GB/T 4339 金属材料热膨胀特征参数的测定GB/T 22315 金属材料 弹性模量和泊松比试验方法GB/T 25846 工业用射线密度计GB/T 31054 机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语GB/T 33582 机械产品结构有限元力学分析通用规则NB/SH/T 0632 比热容的测定 差示扫描量热法T/CWAN 0009 焊接术语 熔化焊ISO/TS 18166焊 接 数 值
5、 模 拟执 行 和 文 档(Numerical welding simulation-Execution anddocumentation)3术语和定义GB/T 31054、GB/T 33582、T/CWAN 0009和ISO/TS 18166界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1热源模型 heat source model熔化焊接热能特征及其与工件作用后在工件上分布的数学表示。3.2热弹塑性有限元方法 thermal elastic-plastic finite element methodT/CWAN 006320232一种焊接变形数值模拟方法,其原理是首先进行焊接热分析,得到焊接结
6、构的瞬态温度场,并以此结果进行焊接应力和变形的计算。3.3双椭球热源模型 double ellipsoidal heat source model焊接热源在工件上呈前后两个半椭球分布的数学表示。3.4生死单元 birth-death element一种模拟焊缝填充的方法,其原理是在焊道未填充之前,将代表焊道的单元材料性能乘以一个较小的比例系数,当焊道填充之后,单元材料属性恢复到真实值。4基本流程热弹塑性法焊接数值模拟的基本流程主要包括有限元模型建立、模型求解、结果评估、仿真方案制定实施及报告编写,具体参见附录 A。5一般要求有限元模型分析前应符合下述要求:应按照 GB/T 33582 附录 B
7、 规定选择单位制,质量单位选择吨,长度单位选择毫米,时间单位选择秒,温度单位选择摄氏度或开尔文,模型材料属性单位应与几何模型单位一致;应选笛卡尔直角坐标系,当边界条件中有力或者约束与全局坐标系不一致时,可增加局部坐标系;焊接结构件 CAD 模型应结构完整,装配关系清晰明了;焊接仿真宜选用具备三维建模、网格划分等前处理,热结构耦合求解及可视化后处理功能的一个或多个软件进行。6焊接仿真分析模型建立规则6.1几何模型简化6.1.1 几何模型简化应符合准确性和经济性两个原则。准确性是指应保留分析对象主要特征,以保证受力特性不变。经济性是指应用较小分析成本取得足够精度的计算结果。6.1.2 焊接仿真分析
8、的几何模型简化原则:应对模型进行干涉检查,避免模型中存在干涉;应忽略对焊接变形影响较小且不重要的零件,如吊耳、安装板、固定板等;应删除各个零件上的圆角、退刀槽、凸台、无焊缝填充的倒角等细节特征;应删除各零件上孔径与结构件尺寸比值小于 1%的孔及安装孔;应简化不规则的截面形状;在钝边不大于 2 mm 或者要求单面焊双面成型的情况下,带钝边倒角应修改成尖角,如图 1 所T/CWAN 006320233示;将模型导入前处理软件中,应消除模型的自由边,并检查模型的干涉情况;应修补模型的破面,合并距离很近的边及节点。图 1 钝边的简化6.2有限元网格划分6.2.1 建立焊接仿真分析模型时宜选择三维六面体
9、单元。6.2.2 建立焊接仿真分析模型时宜选用低阶单元。6.2.3 应对焊缝及热影响区的位置进行网格细化,网格尺寸控制在2 mm3 mm,或者熔池截面上有34 个网格,并采用如图 2 所示的 1:3 或 1:2 的网格过渡形式,降低远离焊缝位置的网格数量。6.2.4 网格可按图 3 划分,分为热影响区、网格过渡区及母材区,其中热影响区的宽度 a1 取 max(b,9 mm),网格可多次过渡。图 2 网格过渡形式图标引序号说明:坡口区域;热影响区;网格过渡区;母材区;a1热影响区宽度;a2过渡区宽度;a3母材宽度;b板厚。图 3 模型分块情况图6.2.5 在厚度方向上应确保 2 层以上的实体单元
10、网格。6.2.6 对于低阶实体单元,焊缝位置处网格长宽比应不大于 5。6.3材料模型建立6.3.1 用于焊接仿真分析的材料热物理性能参数应包括热导率、比热容、密度、线膨胀系数、弹性模量、泊松比和屈服强度。泊松比为常数,屈服强度为温度及塑性应变的函数,其余的热物理性能参数T/CWAN 006320234是关于温度的函数。6.3.2 材料的屈服准则应选用 Von-Mises 屈服准则,材料进入塑性区后服从塑性流动准则和等向强化准则。6.3.3 材料低温区间(0 600)的热物理性能参数按表 1 规定的方法和设备进行测量。材料高温区间(600)的热物理性能参数可通过数据外插拟合获得,也可通过具备材料
11、性能计算功能的软件获得。6.3.4 材料室温屈服强度890 MPa 的情况下,应考虑相变/热焓转变对焊接变形及残余应力的影响。表 1 材料热物理性能参数参数名测试方法参考标准测试设备热导率W/(mK)直接通电纵向热流法GB/T 3651管式防热炉、热电偶密度Kg/m3射线吸收量测定法GB/T 25846放射性同位素密度计线膨胀系数1/K接触式示差法GB/T 4339膨胀仪比热容/热焓转变J/(kgC)差示扫描量热法NB/SH/T 0632差示扫描量热仪弹性模量N/m2动态法GB/T 22315共振测量装置屈服强度N/m2试样拉伸法GB/T 4338高温拉伸试验机6.4 热源参数定义6.4.1
12、选择的热源模型应准确反映焊接过程中热流分布,根据焊接工艺参数确定热源模型能量的大小。6.4.2 电弧焊宜选用双椭球体/双椭圆面热源模型,激光焊宜选用高斯旋转体热源/高斯面热源模型,激光-电弧复合焊宜选用高斯旋转体热源/高斯面热源与双椭球/双椭圆热源的叠加。6.4.3 焊接仿真分析中应考虑焊接热源的移动及焊缝填充,生死单元的比例系数可选用 1e-31e-5。6.4.4 应采用试验与仿真对比的方法确定焊接热源的参数,包括以下两种方法。(a)通过对比热循环曲线确定焊接热源参数:1)设定焊接热源的参数,进行焊接热分析,提取距离焊趾 5 mm 处的热循环曲线;2)在焊接试板上相同位置安装热电偶,见图 4
13、 a),测试该位置的热循环曲线;3)将焊接仿真分析获得的热循环曲线与测量获得的热循环曲线进行对比,见图 4 b),反复调整焊接热源参数,直至热循环曲线峰值误差在 10%以内。T/CWAN 006320235a)热电偶放置位置b)热循环曲线对比图图 4 热循环曲线法(b)通过对比焊缝形貌确定焊接热源参数:1)在焊接试板上截取试样,打磨、抛光、腐蚀,获得焊接接头的宏观金相;2)设定焊接热源的参数,双椭球热源前半轴长度宜设为熔深,后半轴长度宜设为 2 倍熔深,进行焊接热分析,提取焊接仿真分析的热源形貌;3)将焊接接头热源形貌与宏观金相进行对比分析,见图 5,判断其吻合性,反复调整焊接热源参数,直至吻
14、合良好,完成热源校核。图 5 焊接接头宏观金相对比图6.5 计算条件设置6.5.1 模型热边界条件设定模型热边界条件的设定应符合以下原则:焊接仿真分析模型的热边界条件设定应符合实际工况,包括焊接热辐射边界条件、热对流边界条件;根据焊接操作指导文件上的焊接方向、焊接顺序,及确定的焊接热源参数设定焊接热边界条件;应选择所有表面作为热对流边界,与空气自然对流换热系数应设为 5 W/(m2K)25 W/(m2K),也可根据牛顿定律测定对流换热系数。6.5.2 模型结构边界条件设定模型结构边界条件的设定应符合以下原则:焊接仿真分析模型的结构边界条件设定应符合实际工况;结构件无外加约束自由焊接时,应采用辅
15、助约束方法施加约束,即选择距离焊缝较远且对变形影响小的 3 个节点,施加限制 6 个刚体自由度的辅助位移约束,见图 6;T/CWAN 006320236图 6 自由焊接时模型约束图结构件在工装约束状态下焊接时,可采用刚体接触或者固定约束的方法模拟焊接工装的装夹,并在工装撤去后,释放接触/约束,并施加辅助约束;可采用接触的方法考虑工艺拉筋对焊接变形的影响;可采用节点强制位移或刚体接触方法考虑反变形对焊接变形的影响,并在冷却至室温后,释放接触/约束。6.5.3 模型边界条件的有效简化如计算机算力不足或计算规模较大,应对焊接边界条件进行简化,简化方法如下:焊道集中方法,对于多层多道焊,可将焊道合并,
16、在等效热效应前提下,一次输入焊接能量,设定焊接热源,保证焊接区域内单位体积的能量相对于简化前不变;分段移动热源方法,将一条焊道分为多段,每段采用热循环曲线或者带状热源进行加载;热机解耦计算方法,将多步的热分析计算结果用于一步的焊接变形及应力计算分析。6.6 有限元模型的检查6.6.1 网格模型的检查网格划分完成后,应对网格进行检查,检查内容及要求如下:模型中不应有重复、连接问题、折叠及畸变网格;网格检查的主要参数包括单元的法向、长宽比、雅克比、内角、翘曲度、偏斜度,单元质量控制参数应符合表 2 的规定;优先保证焊接及热影响区位置的网格质量。表 2 单元质量检查控制参数参数长宽比雅克比内角翘曲度
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