專利名稱：一種受焊接熱循環(huán)影響的材料模型及其建立方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)值模擬領(lǐng)域，特別是關(guān)于一種受焊接熱循環(huán)影響的材料模型及 其建立方法。
背景技術(shù)：
焊接數(shù)值模擬技術(shù)已成為解決焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力與變形問題的重要手段之 一，焊接數(shù)值模擬的主要難點(diǎn)在于提高數(shù)值模擬的計(jì)算效率和求解精度，而提高 焊接數(shù)值模擬的精度依賴于建立精確的數(shù)學(xué)物理模型。在焊接數(shù)值模擬研究早期 的材料模型中，材料的各項(xiàng)性能參數(shù)均是一個(gè)確定值，不隨溫度變化。而材料參 數(shù)在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中都不發(fā)生變化，這是非常偏離實(shí)際的，必然導(dǎo)致不準(zhǔn)確的計(jì) 算結(jié)果。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，焊接數(shù)值模擬中的材料性能參數(shù)開始設(shè)置為隨 溫度變化，即在不同的溫度下材料性能參數(shù)不同(本文將其簡(jiǎn)稱為Mech模型)， 這種模型己經(jīng)在焊接數(shù)值模擬中得到了廣泛的應(yīng)用。但是在實(shí)際的焊接熱循環(huán)過(guò) 程中，材料需要經(jīng)歷加熱過(guò)程和冷卻過(guò)程，在冷卻過(guò)程中材料屈服強(qiáng)度隨溫度變 化的曲線是不同于加熱過(guò)程的，尤其是對(duì)于那些熱循環(huán)過(guò)程能夠大大改變材料性 能的金屬材料。但是由于在Mech模型中，材料性能僅僅是溫度的函數(shù)，焊接熱循 環(huán)的冷卻和加熱過(guò)程中，材料屈服強(qiáng)度隨溫度變化曲線是一致的，因此與實(shí)際情 況相比，還有明顯的偏差。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可提高數(shù)值模擬求解精度的受焊接 熱循環(huán)影響的材料模型及其建立方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種受悍接熱循環(huán)影響的材料 模型，其特征在于所述材料模型中將材料屈服強(qiáng)度定義為隨溫度變化，并且隨 用戶自定義的第一組特征變量和第二組特征變量變化的函數(shù)；所述第一組特征變 量是一個(gè)二值函數(shù)，且將材料處于焊接熱循環(huán)的加熱階段定義為0，將材料處于焊 接熱循環(huán)的冷卻階段定義為1;所述第二組特征變量用于表征材料經(jīng)過(guò)焊接加熱循 環(huán)而產(chǎn)生的性能變化程度，所述第二組特征變量的初始記錄值為0，記錄值的變量 由增量步的當(dāng)前溫度值與原記錄值的比較結(jié)果確定。
所述增量步的當(dāng)前溫度值與所述原記錄值的比較結(jié)果包括以下兩種之一若 當(dāng)前增量步的溫度值大于原記錄值，表明該節(jié)點(diǎn)所處的位置處于焊接熱循環(huán)的加熱階段，則所述第一組特征變量的值為O，并用此時(shí)該節(jié)點(diǎn)的溫度峰值代替所述第 二組特征變量的原記錄值；若當(dāng)前增量步的溫度值小于原記錄值，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)所
處的位置已經(jīng)進(jìn)入焊接熱循環(huán)的冷卻階段，則所述第一組特征變量的值為1，所述 第二組特征變量的值保持不變。
如上述的一種受焊接熱循環(huán)影響的材料模型的建立方法，包括以下步驟1) 測(cè)試峰值溫度不同的幾種典型悍接熱循環(huán)加熱和冷卻條件下，材料屈服強(qiáng)度隨溫 度的變化，獲得焊接熱循環(huán)過(guò)程對(duì)材料屈服強(qiáng)度影響的數(shù)據(jù)；2)在程序中設(shè)置第
一組特征變量，用來(lái)表征材料處于熱循環(huán)的加熱階段還是冷卻階段，在程序中設(shè) 置第二組特征變量，用來(lái)記錄焊接熱循環(huán)過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)峰值溫度，設(shè)
定第一組特征變量和第二組特征變量的初始值均為0; 3)在每個(gè)時(shí)間增量步，提 取各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前計(jì)算獲得的溫度值；4)將該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前溫度值與第二組特征變量的原 記錄值進(jìn)行對(duì)比若有限元計(jì)算過(guò)程中當(dāng)前增量步的溫度值大于原記錄值，則表 明該節(jié)點(diǎn)所處的位置處于焊接加熱過(guò)程，則第一組特征變量的值為0,并用此時(shí)該 節(jié)點(diǎn)的溫度值代替第二組特征變量的原記錄值；若有限元計(jì)算過(guò)程中當(dāng)前增量步 的溫度值小于原記錄值，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)所處位置已經(jīng)開始進(jìn)入焊接熱循環(huán)的冷卻 階段，此時(shí)，第一組特征變量的值為1，第二組特征變量的值保持不變。
本發(fā)明由于釆取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明首先通過(guò)熱力學(xué) 模擬試驗(yàn)，測(cè)試了典型焊接熱循環(huán)過(guò)程中不同溫度下的材料機(jī)械性能，得到了焊 接熱循環(huán)對(duì)材料機(jī)械性能影響的具體數(shù)據(jù)，系統(tǒng)研究了悍接熱循環(huán)過(guò)程對(duì)材料性
能的影響，為焊接數(shù)值模擬精確建模提供了必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。2、本發(fā)明在焊接數(shù)
值模擬建模中，充分考慮了焊接熱循環(huán)過(guò)程對(duì)材料機(jī)械性能的影響，在焊接數(shù)值 模擬中，將材料焊接熱循環(huán)過(guò)程分為溫度上升的加熱階段和溫度下降的冷卻階段， 完善了焊接數(shù)值精確模擬，可以更加真實(shí)地反映出焊接過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變的演變歷
程和規(guī)律，更有效地利用數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)解決焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力變形問題。3、
本發(fā)明可以廣泛用于研究焊接熱循環(huán)對(duì)材料性能影響的過(guò)程中，特別是對(duì)于在焊 接熱循環(huán)過(guò)程中，材料性能變化明顯的焊接數(shù)值模擬研究中，同時(shí)在不同尺寸規(guī) 格的工件采用不同焊接方法的數(shù)值模擬研究中，也能夠得到很好的應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明材料性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)方案
圖2是本發(fā)明材料模型的有限元實(shí)現(xiàn)流程圖
圖3是本發(fā)明焊接熱循環(huán)對(duì)鋁合金6056屈服強(qiáng)度的影響
圖4是本發(fā)明材料模型的闡述示意5是本發(fā)明平板上表面縱向殘余應(yīng)力分布對(duì)比 圖6是本發(fā)明平板上表面縱向殘余塑性應(yīng)變對(duì)比
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
在己有技術(shù)的Mech模型中，材料屈服強(qiáng)度僅僅是溫度的函數(shù)，跟材料所經(jīng)歷 的熱循環(huán)溫度歷史無(wú)關(guān)，確定材料性能參數(shù)，僅需要知道材料在當(dāng)時(shí)的溫度值即 可。而本發(fā)明的受焊件熱循環(huán)影響的材料模型(以下簡(jiǎn)稱為History模型)的建 立，在考慮熱循環(huán)過(guò)程和確定材料性能參數(shù)時(shí)，不僅要了解當(dāng)前時(shí)間增量步中的 溫度，而且要知道材料是處于熱循環(huán)過(guò)程的加熱階段還是冷卻階段，以及熱循環(huán) 過(guò)程的峰值溫度是多少，本發(fā)明方法包括以下步驟
1、 如圖1所示，測(cè)試峰值溫度不同的幾種典型焊接熱循環(huán)加熱和冷卻條件下， 材料屈服強(qiáng)度隨溫度的變化，較為準(zhǔn)確地獲得焊接熱循環(huán)過(guò)程對(duì)材料屈服強(qiáng)度影 響的數(shù)據(jù)。本發(fā)明在進(jìn)行材料性能測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，典型焊接熱循環(huán)過(guò)程中的升溫速 率、峰值溫度、保溫時(shí)間和降溫速率等，均是參照實(shí)際焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)測(cè)量 設(shè)定的。
2、 在焊接數(shù)值模擬中，將材料屈服強(qiáng)度定義為隨溫度變化，且隨用戶自定義 的某兩組特征變量變化。其中特征變量I用于表征材料處于加熱階段還是冷卻階 段，是一個(gè)二值函數(shù)，定義0表示材料處于加熱階段，定義1表示材料處于冷卻
階段；特征變量n用于表征材料經(jīng)過(guò)焊接加熱過(guò)程而產(chǎn)生的性能變化程度。由于
焊接過(guò)程的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)特點(diǎn)，本發(fā)明提取峰值溫度作為特征變量II的變量，在采用有 限元計(jì)算過(guò)程中，焊接數(shù)值模擬計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為自適應(yīng)時(shí)間步長(zhǎng)，具體步 驟如下(如圖2所示)
① 在程序中設(shè)置一組特征變量II，用來(lái)記錄焊接熱循環(huán)過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱 循環(huán)峰值溫度，設(shè)定特征變量I和特征變量II的初始值均為0;
② 在每個(gè)時(shí)間增量步，提取各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前計(jì)算獲得的溫度值；
③ 將節(jié)點(diǎn)當(dāng)前溫度值與特征變量n對(duì)比-
若有限元計(jì)算過(guò)程中當(dāng)前增量步的溫度值大于特征變量II的原記錄值，則表 明該節(jié)點(diǎn)所處位置位于焊接熱循環(huán)的加熱階段，則其特征變量I的值為O，并用此
時(shí)該節(jié)點(diǎn)的溫度值代替特征變量II的原記錄值；
若有限元計(jì)算過(guò)程中當(dāng)前增量步的溫度值小于特征變量n的原記錄值，則認(rèn)
為該節(jié)點(diǎn)所處位置已經(jīng)開始進(jìn)入焊接熱循環(huán)的冷卻階段，則特征變量I的值為1，
特征變量II的值保持不變； 根據(jù)特征變量I與特征變量II的值以及當(dāng)前溫度值，判斷材料模型中材
料性能的數(shù)據(jù)，若某節(jié)點(diǎn)特征變量I的值為o，則表明該節(jié)點(diǎn)尚處于焊接加熱階段， 材料性能隨溫度的變化遵循加熱曲線；若特征變量I的值為1，則該節(jié)點(diǎn)已處于焊 接冷卻階段，根據(jù)其峰值溫度即特征變量II的值，確定材料性能隨溫度變化所遵 循的曲線，并根據(jù)當(dāng)前溫度值來(lái)最終確定材料性能參數(shù)。
下面通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明建立的材料模型進(jìn)行驗(yàn)證。
如圖3所示，材料機(jī)械性能測(cè)試試驗(yàn)在Gleeble 1500D熱力模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上 完成，選取鋁合金6056為代表，測(cè)試峰值溫度不同的幾種典型焊接熱循環(huán)加熱和 冷卻過(guò)程中，材料屈服強(qiáng)度隨溫度的變化。從對(duì)鋁合金6056的材料性能測(cè)試試驗(yàn) 結(jié)果可以看出，在峰值溫度不同的焊接熱循環(huán)冷卻過(guò)程中，材料屈服強(qiáng)度隨溫度 的變化遵循一系列不同于熱循環(huán)加熱過(guò)程的曲線。
在材料機(jī)械性能測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過(guò)焊接數(shù)值模擬，建立采用已有 技術(shù)的Mech模型和采用本發(fā)明方法的History模型，History模型與Mech模型的 不同之處在于History模型考慮了焊接熱循環(huán)對(duì)材料屈服強(qiáng)度的影響。如圖4所 示，峰值溫度分別為30(TC和40(rC的焊接熱循環(huán)過(guò)程，其中實(shí)線箭頭代表加熱過(guò) 程，虛線箭頭代表冷卻過(guò)程。在焊接熱循環(huán)過(guò)程的加熱階段，設(shè)置特征變量I的 值為0，特征變量II的值為0，材料屈服強(qiáng)度隨溫度的變化遵循圖中的曲線a。而 峰值溫度為30(TC的焊接熱循環(huán)冷卻階段，設(shè)置特征變量I的值為1，特征變量II 的值為300，材料屈服強(qiáng)度隨溫度的變化遵循圖中的曲線b;峰值溫度為40(TC的 焊接熱循環(huán)冷卻階段，設(shè)置特征變量I的值為1，特征變量II的值為400，材料 屈服強(qiáng)度隨溫度的變化遵循曲線c。由此可以看出，焊接熱循環(huán)冷卻過(guò)程中材料屈 服強(qiáng)度隨溫度的變化不同于加熱過(guò)程，并且跟熱循環(huán)峰值溫度息息相關(guān)。
焊接數(shù)值模擬采用已有技術(shù)中的有限元軟件ABAQUS完成。采用兩塊尺寸為 500ramX150mraX3 mm的鋁合金6056薄板，采用鎢極氬弧焊(TIG)對(duì)焊過(guò)程作為 研究對(duì)象，焊接電壓為16V，平均電流為290A，焊接速度為4.42ram/s，采用高斯 函數(shù)分布的表面熱源，熱源有效系數(shù)為0.5，熱源有效半徑為5mra，各項(xiàng)材料性能 參數(shù)設(shè)置為隨溫度變化。在焊接溫度場(chǎng)計(jì)算相同的情況下，運(yùn)用已有技術(shù)的Mech 模型和采用本發(fā)明方法的History模型，對(duì)焊接應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果 表明History模型的焊接數(shù)值模擬結(jié)果與Mech模型的焊接數(shù)值模擬結(jié)果存在很大 的不同。
如圖5所示，從平板試樣上表面的縱向殘余應(yīng)力對(duì)比可以看出，考慮焊接熱 循環(huán)過(guò)程對(duì)材料性能的影響，對(duì)焊后縱向殘余應(yīng)力分布的模擬結(jié)果有重要影響已有技術(shù)的Mech模型焊縫區(qū)的縱向殘余拉應(yīng)力值為420MPa左右；本發(fā)明History 模型焊縫區(qū)的縱向殘余拉應(yīng)力值低于100MPa， History模型焊縫區(qū)的縱向殘余拉 應(yīng)力明顯低于Mech模型焊縫區(qū)的縱向殘余拉應(yīng)力。如圖6所示，從平板試樣上表 面的縱向殘余塑性應(yīng)變對(duì)比可以看出，本發(fā)明History模型焊縫區(qū)的縱向殘余壓 縮塑性應(yīng)變明顯比Mech模型要小，而且History模型中焊縫區(qū)較低的縱向殘余壓 縮塑性應(yīng)變與較低的縱向殘余拉應(yīng)力存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，本發(fā)明History 模型的模擬結(jié)果更加接近于實(shí)際情況，采用本發(fā)明中建立的考慮焊接熱循環(huán)影響 的材料模型，能夠有效地提高焊接數(shù)值模擬的計(jì)算精度。
權(quán)利要求
1、一種受焊接熱循環(huán)影響的材料模型，其特征在于所述材料模型中將材料屈服強(qiáng)度定義為隨溫度變化，并且隨用戶自定義的第一組特征變量和第二組特征變量變化的函數(shù)；所述第一組特征變量是一個(gè)二值函數(shù)，且將材料處于焊接熱循環(huán)的加熱階段定義為0，將材料處于焊接熱循環(huán)的冷卻階段定義為1；所述第二組特征變量用于表征材料經(jīng)過(guò)焊接加熱循環(huán)而產(chǎn)生的性能變化程度，所述第二組特征變量的初始記錄值為0，記錄值的變量由增量步的當(dāng)前溫度值與原記錄值的比較結(jié)果確定。
2、 如權(quán)利要求l所述的一種受焊接熱循環(huán)影響的材料模型，其特征在于增 量步的當(dāng)前溫度值與所述原記錄值的比較結(jié)果包括以下兩種之一若當(dāng)前增量步的溫度值大于原記錄值，表明該節(jié)點(diǎn)所處的位置處于焊接熱循 環(huán)的加熱階段，則所述第一組特征變量的值為0，并用此時(shí)該節(jié)點(diǎn)的溫度峰值代替 所述第二組特征變量的原記錄值；若當(dāng)前增量步的溫度值小于原記錄值，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)所處的位置已經(jīng)進(jìn)入焊接 熱循環(huán)的冷卻階段，則所述第一組特征變量的值為1，所述第二組特征變量的值保 持不變。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的一種受焊接熱循環(huán)影響的材料模型的建立方法， 包括以下步驟1) 測(cè)試峰值溫度不同的幾種典型焊接熱循環(huán)加熱和冷卻條件下，材料屈服強(qiáng) 度隨溫度的變化，獲得焊接熱循環(huán)過(guò)程對(duì)材料屈服強(qiáng)度影響的數(shù)據(jù)；2) 在程序中設(shè)置第一組特征變量，用來(lái)表征材料處于熱循環(huán)的加熱階段還是 冷卻階段，在程序中設(shè)置第二組特征變量，用來(lái)記錄焊接熱循環(huán)過(guò)程中各個(gè)節(jié)點(diǎn) 的熱循環(huán)峰值溫度，設(shè)定第一組特征變量和第二組特征變量的初始值均為0;3) 在每個(gè)時(shí)間增量步，提取各節(jié)點(diǎn)當(dāng)前計(jì)算獲得的溫度值；4) 將該節(jié)點(diǎn)當(dāng)前溫度值與第二組特征變量的原記錄值進(jìn)行對(duì)比 若有限元計(jì)算過(guò)程中當(dāng)前增量步的溫度值大于原記錄值，則表明該節(jié)點(diǎn)所處的位置處于焊接加熱過(guò)程，則第一組特征變量的值為0，并用此時(shí)該節(jié)點(diǎn)的溫度值 代替第二組特征變量的原記錄值；若有限元計(jì)算過(guò)程中當(dāng)前增量步的溫度值小于原記錄值，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)所處 位置己經(jīng)開始進(jìn)入焊接熱循環(huán)的冷卻階段，此時(shí)，第一組特征變量的值為l，第二 組特征變量的值保持不變。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種受焊接熱循環(huán)影響的材料模型及其建立方法，其特征在于所述材料模型中將材料屈服強(qiáng)度定義為隨溫度變化，并且隨用戶自定義的第一組特征變量和第二組特征變量變化的函數(shù)；所述第一組特征變量是一個(gè)二值函數(shù)，且將材料處于焊接熱循環(huán)的加熱階段定義為0，將材料處于焊接熱循環(huán)的冷卻階段定義為1；所述第二組特征變量用于表征材料經(jīng)過(guò)焊接加熱循環(huán)而產(chǎn)生的性能變化程度，所述第二組特征變量的初始記錄值為0，記錄值的變量由增量步的當(dāng)前溫度值與原記錄值的比較結(jié)果確定。本發(fā)明充分考慮了焊接熱循環(huán)過(guò)程對(duì)材料機(jī)械性能的影響，完善了焊接數(shù)值的模擬精確，真實(shí)地反映出焊接過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變的演變歷程和規(guī)律，更有效的利用數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)解決焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力變形問題。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101599103SQ20091008840
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月29日
發(fā)明者史清宇, 吳愛萍, 張?jiān)隼? 鄢東洋 申請(qǐng)人:清華大學(xué)