CSTM-焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算導(dǎo)則

ICSXX.XXX.XXXXX團(tuán) 體 標(biāo) 準(zhǔn)T/CSTMXXXXX-202X焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算方法Finiteelementcalculationmethodforweldingresidualstress202X-XX-XX發(fā)布202X-XX-XX實(shí)施中關(guān)村材料試驗(yàn)技術(shù)聯(lián)盟T/CSTMXXXXX—2021T/CSTMXXXXX—20211焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算方法范圍本文件規(guī)定了焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算分析方法的術(shù)語(yǔ)、符號(hào)及說(shuō)明、分析流程、輸入信息、分析軟件、有限元建模、溫度場(chǎng)分析方法、耦合分析方法、應(yīng)力場(chǎng)分析方法、技術(shù)文件等內(nèi)容。規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適應(yīng)于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T3375焊接術(shù)語(yǔ)GB/T31054—2014機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助工程有限元數(shù)值計(jì)算術(shù)語(yǔ)GB/T33582—2017機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則術(shù)語(yǔ)和定義GB/T31054—2014界定的以及下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。有限單元法finiteelementmethod有限元法；將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)單元，并在給定約束條件下，利用有限單元的近似解逼近真實(shí)物理系統(tǒng)的數(shù)值分析方法；有限元分析finiteelementanalysis基于有限單元法的結(jié)構(gòu)性能分析；單元element具有幾何、物理屬性的最小求解域；節(jié)點(diǎn)node單元之間的鉸接點(diǎn)；注：每個(gè)單元僅在節(jié)點(diǎn)處和相鄰單元及外部發(fā)生聯(lián)系；有限元模型finiteelementmodel以有限數(shù)量單元的組合逼近機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的模型，或更一般地物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的模型；有限元建模finiteelementmodeling構(gòu)建有限元模型的過(guò)程，包括幾何模型處理、有限單元設(shè)置和劃分等步驟；邊界條件boundaryconditions在給定工況下，求解域邊界上的幾何、物理?xiàng)l件，如力、溫度、速度和位移等；材料性能materialproperty材料的力學(xué)、熱學(xué)等物理性能參數(shù)；應(yīng)力stress結(jié)構(gòu)某點(diǎn)受到的單位面積內(nèi)力；縱向longitudinal平行于焊接方向的方向；橫向transverse垂直于縱向、平行于緊靠焊縫坡口表面的方向；法向normal垂直于由縱向和橫向確定的平面的方向熱輸入heatinput熔化焊時(shí)，輸入給單位長(zhǎng)度焊縫上的熱能；道間溫度interpasstemperature多層多道焊時(shí)，在施焊后繼焊道之前，其相鄰焊道應(yīng)保持的溫度；連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線continuouscoolingtransformation反映連續(xù)冷卻條件下過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律曲線；擴(kuò)散型相變diffusivephasetransformation組織轉(zhuǎn)變通過(guò)元素?cái)U(kuò)散的方式進(jìn)行，例如鐵素體、珠光體、貝氏體相變等；非擴(kuò)散型相變non-diffusivephasetransformation組織轉(zhuǎn)變過(guò)程中不會(huì)發(fā)生元素的擴(kuò)散，或者存在擴(kuò)散作用但不是相變所必須的因素；相變塑性transforminducedplasticity材料在相變的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，即載荷小于屈服強(qiáng)度材料仍會(huì)出現(xiàn)塑性變形現(xiàn)象。符號(hào)和說(shuō)明表1給出的符號(hào)適用于本文件。表1符號(hào)和說(shuō)明符號(hào)說(shuō)明單位K熱傳導(dǎo)系數(shù)W/m2·Kcp比熱容J/(kg·K)ρ密度kg/m3Hnet凈熱輸入J/mP電弧功率J/sI電流AU電壓Vη焊接熱效率--v焊接速度mm/sT瞬時(shí)溫度KTrt室溫KTm熔點(diǎn)溫度K?T溫度范圍K分析流程焊接殘余應(yīng)力有限元分析流程如圖1所示：圖1焊接殘余應(yīng)力有限元分析流程圖輸入信息采集工藝信息需要采集的焊接工藝信息主要包括：焊接方法；焊接件整體幾何尺寸；焊接接頭宏觀截面圖；d）焊接熱輸入：包括電流、電壓、焊接速度；e）焊接坡口：包括坡口形式、坡口角度等；f）起弧收弧位置；g）焊接順序；h）焊道數(shù)量；i）預(yù)熱溫度；g）層間溫度；k）機(jī)械約束；l）蓋面焊和清根焊的使用；m）焊接效率：常見(jiàn)焊接方法的焊接熱效率η值可參考表2。表2常見(jiàn)焊接方法的熱效率焊接方法η埋弧焊1.0焊條電弧焊0.8惰性氣體保護(hù)焊0.8活性氣體保護(hù)焊0.8非熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊0.6等離子弧焊0.6材料信息需確定焊材、母材的牌號(hào)及其化學(xué)成分，當(dāng)焊材與母材的化學(xué)成分接近時(shí)，可采用相同的材料參數(shù)進(jìn)行有限元分析；材料屬性單位應(yīng)與幾何模型單位一致；經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的材料屬性信息宜作為數(shù)據(jù)積累，為材料屬性設(shè)置作參考。熱物性材料參數(shù)包括熱傳導(dǎo)系數(shù)K，比熱容cp，密度ρ，均為隨溫度變化的非線性參數(shù)?；A(chǔ)計(jì)算及精準(zhǔn)計(jì)算所需輸入的各材料參數(shù)溫度區(qū)間如表3所示。0.6Tm-Tm溫度區(qū)間內(nèi)的材料參數(shù)通過(guò)插值獲取，超過(guò)Tm時(shí)各類(lèi)熱物性參數(shù)將被設(shè)為恒定值。表3所需熱物性參數(shù)溫度區(qū)間參數(shù)精準(zhǔn)計(jì)算溫度區(qū)間基礎(chǔ)計(jì)算溫度區(qū)間KTrt-TmTrt-0.6TmcpTrt-TmTrt-0.6TmρTrtTrt力學(xué)參數(shù)包括彈性模量E、泊松比v、熱膨脹系數(shù)α、強(qiáng)化參數(shù)。基礎(chǔ)計(jì)算及精準(zhǔn)計(jì)算所需輸入的各材料參數(shù)的溫度范圍如表4所示。0.6Tm-Tm（基礎(chǔ)分析）或0.7Tm-Tm（精準(zhǔn)分析）溫度區(qū)間內(nèi)的材料參數(shù)通過(guò)插值獲取。為提高有限元計(jì)算的收斂性，通常將熔點(diǎn)Tm以上的彈性模量值及強(qiáng)化參數(shù)設(shè)置為其室溫值的1%；表4所需力學(xué)參數(shù)溫度區(qū)間參數(shù)精準(zhǔn)計(jì)算溫度區(qū)間基礎(chǔ)計(jì)算溫度區(qū)間彈性模量Trt-TmTrt-0.6Tm泊松比Trt-TmTrt熱膨脹系數(shù)Trt-TmTrt-0.6Tm強(qiáng)化參數(shù)混合強(qiáng)化(Trt-0.7Tm)各向同性強(qiáng)化(Trt-0.6Tm)確定有限元分析軟件所選擇有限元軟件需具備以下基本功能：熔覆金屬的添加為實(shí)現(xiàn)焊縫金屬的熔敷，軟件需要具有添加和移除單元的功能，或者可以對(duì)單元的材料屬性進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)將焊縫金屬在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間“激活”，詳見(jiàn)8.5；熱源模型的建立計(jì)算軟件需能夠通過(guò)施加節(jié)點(diǎn)溫度，或者在單元上施加熱源實(shí)現(xiàn)規(guī)定的溫度；材料性能的添加有限元軟件還需能夠處理溫度相關(guān)的材料參數(shù)，并可以計(jì)算由熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射而產(chǎn)生的熱損失。此外，需能實(shí)現(xiàn)用硬化模型來(lái)描述材料的力學(xué)行為，至少包含隨動(dòng)硬化或者各向同性硬化模型。有限元建模確定建模方法二維截面模型所需分析時(shí)間相對(duì)較短，適用于厚壁多道焊結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力求解，適用于預(yù)測(cè)其橫向及法向應(yīng)力的分布。該方法通?；谄矫鎽?yīng)變假設(shè)，縱向應(yīng)力的預(yù)測(cè)值偏大；二維軸對(duì)稱模型相當(dāng)于同時(shí)焊接整個(gè)圓周，適用于厚壁結(jié)構(gòu)多層多道焊的模擬；三維殼單元模型適用于薄壁結(jié)構(gòu)或者是法向應(yīng)力可被忽略的情況；三維實(shí)體單元模型適用于求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)中沿焊接方向位置的應(yīng)力（如補(bǔ)焊區(qū)域、薄壁結(jié)構(gòu)、焊縫收弧引弧位置的殘余應(yīng)力計(jì)算），但所需建模及計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)；幾何模型建立依據(jù)實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)尺寸、按照1:1的比例關(guān)系建立整體模型，熔池區(qū)域需依據(jù)焊縫宏觀截面圖進(jìn)行建模，包括逐個(gè)焊道的熔融輪廓、余高等幾何特征，焊道橫截面的幾何形狀通常理想化為梯形；網(wǎng)格劃分a）在焊縫及近焊縫區(qū)，以及重點(diǎn)關(guān)注的結(jié)構(gòu)區(qū)域，需要進(jìn)行高度的網(wǎng)格細(xì)化，遠(yuǎn)離焊縫區(qū)可采用較稀疏的網(wǎng)格；b）可采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)分區(qū)域只集中在熱源附近，而其它部分則能夠保持較疏的網(wǎng)格，從而降低整體網(wǎng)格數(shù)量，提高運(yùn)算速度；c）當(dāng)采用移動(dòng)熱源進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)（詳見(jiàn)9.2.1），應(yīng)確保焊縫區(qū)網(wǎng)格尺寸至少小于熱源模型特征尺寸的一半；單元類(lèi)型選擇a）大多數(shù)有限元軟件提供的主要單元類(lèi)型包括：低階完全積分單元/減縮積分單元、高階完全積分單元/減縮積分單元，高階單元相較于低階單元能準(zhǔn)確描述變形、應(yīng)力集中問(wèn)題；b）熱分析既可采用低階單元也可采用高階單元，但采用低階單元時(shí)需要細(xì)化網(wǎng)格以增加精度；如果考慮潛熱效應(yīng)，宜采用低階單元，然后可以使用高階單元進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)分析；c）在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)使用減縮積分單元，以避免在完全積分的單元中發(fā)生自鎖問(wèn)題；結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則、變形和應(yīng)力分布復(fù)雜時(shí)宜選用高階單元。焊縫金屬的填充生死單元法運(yùn)算前，將整個(gè)焊縫的剛度矩陣與極小的因子相乘，使未被加熱的焊縫單元定義為“死單元狀態(tài)”，不出現(xiàn)在幾何模型中；焊接熱過(guò)程開(kāi)始，通過(guò)乘以包含若干單元的相應(yīng)焊縫矩陣，按照實(shí)際焊接順序逐個(gè)恢復(fù)焊道；材料參數(shù)控制法焊縫區(qū)域的所有網(wǎng)格單元始終出現(xiàn)在計(jì)算模型中，通過(guò)控制材料參數(shù)使未加熱的焊縫單元處于未被激活的狀態(tài)。熱源前后的焊縫金屬被定義為具有不同的場(chǎng)變量。在熱分析中，可以通過(guò)將熱導(dǎo)率降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)等效為材料未加熱的狀態(tài)。在應(yīng)力分析中，可通過(guò)在改變材料拉伸性能來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度場(chǎng)分析熱源模型的選擇根據(jù)對(duì)8.1中各建模方法匹配熱源模型，整體分為移動(dòng)熱源模型及靜態(tài)等效熱源模型：移動(dòng)熱源模型分類(lèi)：面熱源模型、體熱源模型、組合熱源模型；移動(dòng)熱源適用于三維實(shí)體單元建模方法及三維殼單元建模方法，是最貼近實(shí)際焊接熱源的形式，更適用于預(yù)測(cè)沿焊接方向的應(yīng)力；面熱源模型適用于薄壁焊接結(jié)構(gòu)，主要類(lèi)型為高斯表面熱源，其熱源分布函數(shù)為：(1)式中，q(r)為距離熱源中心r處的熱流密度，η為焊接熱效率，U和I分別為電流和電壓，以上參數(shù)根據(jù)焊接工藝直接給出；R0為有限熱源半徑，通常根據(jù)對(duì)比實(shí)際及計(jì)算的熔化區(qū)截面半徑將R0值進(jìn)一步優(yōu)化，如果模擬得到的焊縫熔化區(qū)半徑比實(shí)際略小，則應(yīng)調(diào)小R0值，若比實(shí)際略大，應(yīng)增大R0值。體熱源模型適用于具有較大熔深的焊縫；常見(jiàn)的體熱源模型包括半橢球、橢球及雙橢球體熱源模型，三種模型對(duì)應(yīng)的熱源分布函數(shù)可分別表示為公式（2）-（4）。對(duì)于具有大電弧沖擊效應(yīng)的焊接方法，如氬弧焊，宜采用雙橢球體熱源；(2)式中，x、y、z分別為與熱源中心x、y、z方向上的距離，c為半球體半徑。(3)式中，a、b、c分別為橢球體三個(gè)方向的半軸長(zhǎng)。 (4)式中，f1、f2分別為雙橢球前、后部分橢球的能量分配系數(shù)，且f1+f2=2，建議f1取1.6，f2取0.4；a1、a2、b和c分別為雙橢球熱源的形狀參數(shù)。計(jì)算前，需根據(jù)焊縫幾何中心設(shè)置熱源起始位置，建議根據(jù)實(shí)際焊縫寬度確定a、a1、a2、b的初始值，根據(jù)實(shí)際焊縫深度確定c的初始值。建議?。篴=b=a1=0.5a2≈0.45Wwidth(5)c≈0.9Wdepth(6)式中，Wwidth、Wdepth分別為實(shí)際焊縫的寬度及深度。根據(jù)對(duì)比實(shí)際及計(jì)算的熔化區(qū)截面尺寸將熱源半徑值進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)于復(fù)雜的焊道形貌，宜采用包含雙橢球體熱源的組合熱源。靜態(tài)等效熱源模型適用于二維截面建模法或者是厚壁結(jié)構(gòu)的三維建模方法，適用于預(yù)測(cè)橫向及法向應(yīng)力；該熱源作用區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的生熱率為：(7)V為熱源作用體積；需選取整個(gè)焊縫體積的1/10-1/5對(duì)V進(jìn)行試算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，不斷調(diào)整V值以獲取合適的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。熱輸入的確定焊接熱輸入H由單個(gè)焊縫在單位長(zhǎng)度上的焊接電弧凈能量決定；(8)其中，P是焊接電弧功率(電流U和電壓I的乘積)，v是焊接速度(即電弧移動(dòng)速度)，焊接熱效率η可參考表2。根據(jù)該公式可對(duì)熱輸入進(jìn)行初步計(jì)算，并需進(jìn)一步根據(jù)溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)熱輸入值進(jìn)行細(xì)致調(diào)整。熱邊界條件處理對(duì)流對(duì)流換熱效應(yīng)在低溫區(qū)影響顯著，需在模型表面設(shè)置材料的對(duì)流交換系數(shù)，絕緣的表面及對(duì)稱平面的表面不需進(jìn)行對(duì)流傳熱設(shè)置；輻射輻射換熱效應(yīng)在高溫區(qū)影響顯著，同樣需在表面施加熱輻射系數(shù)；預(yù)熱溫度通過(guò)設(shè)置模型初始溫度實(shí)現(xiàn)，也可通過(guò)將對(duì)流和輻射條件下的環(huán)境溫度等于預(yù)熱溫度使預(yù)熱效應(yīng)一直維持；道間溫度應(yīng)控制熔覆后焊縫的道間溫度，通常設(shè)置為測(cè)量值或者焊接工藝卡設(shè)定值的上限。后處理與結(jié)果評(píng)估需提取處理如下結(jié)果進(jìn)行評(píng)估：最高溫度檢查焊縫區(qū)域的最高溫度是否均超過(guò)熔點(diǎn)；焊縫熔合線邊界將溫度分布云圖顯示上限設(shè)置為材料的固相線溫度以顯示熔合線邊界，與焊接接頭宏觀截面圖對(duì)比。如果缺乏宏觀截面圖，需與有相近熱輸入量及尺寸的焊接接頭模型進(jìn)行對(duì)比，熔合區(qū)的預(yù)測(cè)和測(cè)量面積差值應(yīng)在±20％之內(nèi)；瞬時(shí)溫度曲線宜對(duì)熔合線外10mm以內(nèi)的位置提取瞬時(shí)焊接熱循環(huán)溫度曲線，與熱電偶測(cè)試所得溫度循環(huán)曲線進(jìn)行對(duì)比，預(yù)測(cè)和測(cè)量的瞬態(tài)溫度差值應(yīng)在±10％之內(nèi)。順次耦合分析方法順次耦合是指焊接熱是產(chǎn)生應(yīng)力和變形的前提，但應(yīng)力和變形并不會(huì)反過(guò)來(lái)影響焊接熱過(guò)程。首先完成溫度場(chǎng)的運(yùn)算，并將整個(gè)溫度場(chǎng)的結(jié)果作為預(yù)定義場(chǎng)，順次導(dǎo)入后續(xù)的應(yīng)力場(chǎng)分析。由于焊接變形產(chǎn)生的熱量可以忽略，因此通常宜采用順次耦合方法進(jìn)行焊接有限元分析。應(yīng)力場(chǎng)分析邊界條件處理需依據(jù)實(shí)際焊接工況下的約束施加邊界條件。如果對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)建模，需對(duì)結(jié)構(gòu)外部施加約束；如果只對(duì)結(jié)構(gòu)中的一個(gè)部分建模，則通過(guò)結(jié)構(gòu)的其余部分施加約束；如果建立對(duì)稱模型，則必須在垂直于對(duì)稱方向的對(duì)稱面上施加力學(xué)約束；固態(tài)相變效應(yīng)處理若材料在焊接過(guò)程中存在固態(tài)相變效應(yīng)（如鐵素體鋼、馬氏體鋼等會(huì)出現(xiàn)固態(tài)相變現(xiàn)象，而奧氏體不銹鋼不存在固