一种基于ABAQUS的超声喷丸矫正焊接变形的有限元模拟方法
阅读：93发布：2020-05-20
专利汇可以提供一种基于ABAQUS的超声喷丸矫正焊接变形的有限元模拟方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于ABAQUS的超声 喷丸 矫正 焊接 变形 的有限元模拟方法，采用有限元 软件 ABAQUS首先对一定尺寸的 铝 合金 薄板焊接过程进行模拟，获得焊接残余应 力 和变形的分布，然后读入 应力 和变形网格，在焊接应力和变形的 基础 上进行喷丸矫形过程的模拟计算。本发明考虑到喷丸过程机理的复杂以及诸多可变因素的影响，使得在优化喷丸工艺参数上有很大困难，单纯依靠实验数据和操作经验采用试喷的方法耗时费资等局限，从而引入基于ABAQUS的有限元模拟方法来辅助 超声喷丸 矫形工艺参数的选择，并通过分析应力应变和变形的变化来解释矫形的机理。，下面是一种基于ABAQUS的超声喷丸矫正焊接变形的有限元模拟方法专利的具体信息内容。
1.一种基于ABAQUS的超声喷丸矫正焊接变形的有限元模拟方法，其特征在于，采用有限元软件ABAQUS首先对一定尺寸的铝合金薄板焊接过程进行模拟，获得焊接残余应力和变形的分布，然后读入应力和变形网格，在焊接应力和变形的基础上进行喷丸矫形过程的模拟计算，具体按照下述步骤进行：
（1）焊接过程模拟，首先模拟焊接温度场，读入焊接温度场的结果作为热载荷来进行应力场的计算，获得焊接残余应力和变形；载荷步设置中应当设置重启动信息（2）过渡步计算，导入焊接变形网格作为part，重新进行装配和设置材料力学性能属性；设置载荷步，设置重启动信息；边界条件设置同焊接应力场中边界条件的设置；通过在Initial步设置Initialstate，读入焊接应力场计算结果
（3）喷丸矫形过程的计算，读入步骤（2）中计算得到的应力场和变形网格，实现的方法同（2）中所介绍，读入应力场后开始进行喷丸过程的计算。
2.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS的超声喷丸矫正焊接变形的有限元模拟方法，其特征在于，所述焊接过程计算采用Standard求解器，喷丸过程采用Explicit求解器。
3.根据权利要求1所述的一种基于ABAQUS的超声喷丸矫正焊接变形的有限元模拟方法，其特征在于，所述载荷步可设置为10-4s。
一种基于ABAQUS的超声喷丸矫正焊接变形的有限元模拟
方法
技术领域
背景技术
[0002] 铝合金在航空航天、汽车制造、船舶、容器等领域有着广泛的应用，是公认的理想的的轻量化材料。近年来，随着国防工业中的结构件对减重、力学性能和其他技术指标的要求，大量的轻量化结构，如铝合金焊接结构得到越来越广泛的应用。
[0003] 由于焊接是一个局部加热过程，结构各处温度极不均匀，因此膨胀和收缩变形也差别很大，焊后容易产生残余应力和变形。对于铝合金薄板焊接结构，由于结构刚度小，失稳临界应力低，更容易发生焊后失稳而产生波浪变形，严重影响结构的制造精度和使用性能。因此控制和矫正薄壁构件焊后的失稳变形成为影响薄壁焊接结构使用的一个关键问题。目前常采用预拉伸法、随焊锤击法、静态和动态温差拉伸法、随焊冲击碾压法、随焊旋转挤压等方法来矫正焊接失稳变形。这些方法能在一定程度上控制和减小焊接变形，但都存在种种不足。近年来由天津大学王东坡教授等人研发的超声喷丸装置体积小、重量轻、效率高、操作简单、适用性强，在应用于焊接残余变形的矫正工作方面取得了不错的成果，已逐渐发展成为一种新型有效的焊后矫形方法（相关专利：CN102601167A）。
[0004] 但喷丸过程由于机理复杂以及诸多可变因素的影响，使得在优化喷丸工艺参数上有很大困难。单纯依靠实验数据和操作经验采用试喷的方法，耗时费资。因此有限元模拟方法被引入来辅助超声喷丸矫形工艺参数的选择，并通过分析应力应变和变形的变化来解释矫形的机理。
[0005] 国际上以及国内关于喷丸问题的数值模拟已有了大量研究。但大多数都是针对喷丸介质为丸粒的模型，研究其喷丸参数对残余应力及成形和强化的影响，很少有对喷丸矫形模拟方面的研究。喷丸矫正焊接变形的有限元模拟必须要在焊接应力和变形的基础上进行喷丸。目前喷丸过程的模拟一般针对于没有初始应力的试件，还没有关于在焊接预应力和预变形基础上进行喷丸的研究。关于焊接过程的模拟为非线性过程模拟，是隐式计算过程，喷丸过程为高速冲击过程，为动态计算过程。要进行焊接后喷丸矫形，必须先进行隐式计算，获得节点位移，然后将隐式过程转化为显示过程，读入节点位移文件对构件进行应力初始化。
[0006] 目前常用来模拟喷丸过程的有限元软件为ANSYS/LS-DYNA和ABAQUS。但对于模拟喷丸矫形过程，ABAQUS能更为准确方便地读入焊接变形网格和应力，因此采用ABAQUS软件，使用其Standard模块和Explicit模块分别进行焊接和喷丸过程的模拟。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于克服现有数值模拟的不足，考虑到喷丸过程机理的复杂以及诸多可变因素的影响，使得在优化喷丸工艺参数上有很大困难，单纯依靠实验数据和操作经验采用试喷的方法耗时费资等局限，从而引入基于ABAQUS的有限元模拟方法来辅助超声喷丸矫形工艺参数的选择，并通过分析应力应变和变形的变化来解释矫形的机理。
[0008] 本发明的目的通过下述技术方案予以实现：
[0009] 采用有限元软件ABAQUS首先对一定尺寸的铝合金薄板焊接过程进行模拟，获得焊接残余应力和变形的分布，然后读入应力和变形网格，在焊接应力和变形的基础上进行喷丸矫形过程的模拟计算。
[0010] 焊接过程计算采用Standard求解器，喷丸过程采用Explicit求解器，因此必须采用多步计算分析法，将焊接过程的计算结果作为下一步的预加载场，读入焊接应力和变形网格，随后进行矫形计算。具体分为以下步骤：
[0011] （1）焊接过程模拟
[0012] 首先模拟焊接温度场，读入焊接温度场的结果作为热载荷来进行应力场的计算，获得焊接残余应力和变形。在载荷步设置中应当设置重启动信息。
[0013] （2）过渡步计算
[0014] 由于焊接应力场计算结果中有温度变量，不能直接导入喷丸过程的动态计算中，因此需要一步静力学计算作为过渡，读入焊接应力和变形的结果。具体实现方法为：1）导入焊接变形网格作为part，重新进行装配和设置材料力学性能属性；2）载荷步可设置为很-4短的时间，本文采用了10 s，设置重启动信息；3）边界条件设置同焊接应力场中边界条件的设置；4）通过在Initial步设置Initialstate，读入焊接应力场计算结果。
[0015] （3）喷丸矫形过程的计算
[0016] 喷丸矫形是一个动态过程，首先读入步骤（2）中计算得到的应力场和变形网格，实现的方法同（2）中所介绍。读入应力场后开始进行喷丸过程的计算。
[0017] 超声喷丸的原理是超声振动发生器驱动喷丸介质产生机械振动，喷丸介质快速撞击工件表面，在表面获得一定深度的残余压缩应力层，引起工件表面强化产生变形。本发明中涉及到的喷丸介质是撞针。超声喷丸矫形技术是利用超声喷丸设备对焊后薄板试件的塑性变形区域（焊缝及附近）进行喷丸处理，通过改变焊件上的应力分布，从而消除失稳变形。
[0018] 喷丸时撞针的速度以及喷丸区域的宽度对于喷丸结果有很大的影响。利用ABAQUS软件的Standard模块模拟铝合金薄板焊接过程，得到了焊接应力应变场和变形的分布。其中塑性应变的分布为喷丸矫形过程中喷丸区域宽度的选择提供了依据。利用Explicit模块模拟喷丸过程，得到了喷丸过程中的能量变化和喷丸后应力应变场的分布。通过比较应力场计算结果和试验中残余应力的X射线测试结果，可以用来指导选择喷丸过程中合理的冲击针初速度。通过分析能量的变化和塑性应变值的分布，可以得出喷丸使得试件产生了塑性延伸变形。对喷丸前后得到的试件应力应变的分布进行综合分析，可以很好地解释矫形机理。附图说明
[0019] 图1是有限元网格划分图。
[0020] 图2是冷却到室温时温度场分布。
[0021] 图3是边界条件设置。
[0022] 图4是焊接后试件沿焊缝中心线的纵截面切开后观察到的纵向应力分布。
[0023] 图5是焊接后试件沿焊缝中心线的纵截面切开后观察到的纵向应变分布。
[0024] 图6是焊接后试件上沿厚度方向位移分布图。
[0025] 图7是冲击针与读入的焊接变形网格装配并划分网格后的有限元模型。
[0026] 图8是喷丸后试件沿焊缝中心线的纵截面切开后观察到的纵向应力分布。
[0027] 图9是喷丸后试件沿焊缝中心线的纵截面切开后观察到的纵向应变分布。
[0028] 图10是喷丸后试件上沿厚度方向位移分布图。
具体实施方式
[0029] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案作以详细描述。
[0030] 首先是焊接过程的模拟，包括温度场的模拟和应力应变场模拟。采用间接耦合，先计算焊接温度场，再将温度场作为载荷施加到试件上来计算焊接应力场。
[0031] 温度场的模拟包括以下步骤：
[0033] 2.网格划分：计算选用DC3D8热分析单元，是八节点六面体单元。为了控制整体模型规模并减小不必要的计算量，采用过渡网格划分，对焊缝区和热影响区网格进行细化处理将其网格尺寸设置为1mm，沿焊缝长度方向进行一次3:1过渡，焊缝厚度方向进行一次2:1的过渡，网格如图1所示，左边为局部放大图，可以看到过渡网格的划分。
[0034] 3.载荷步设置：温度场计算中共设置三个Step，Step-1为焊接过程载荷步，时间值为250s；Step-2为冷却过程载荷步，时间值为500s；Step-3为冷却至室温后的载荷步，时间值为1s，主要用作后续应力场撤掉夹具的计算。
[0035] 4.热源模型：温度场计算采用双椭球热源形式，通过Fortran语言编写子程序加载热源。根据观察焊接过程中电弧形态，本文计算中假设椭球前半轴和后半轴相等，即c1=c2=c。式1为计算中采用的双椭球热源热流密度分布。
[0036]
[0037] （1）
[0038] 其中Q=UIη，U为焊接电压，I为焊接电流，η为焊接效率，a，b，c为热源形状参数，v为焊接速度，t为时间。本文计算中选定a=5mm，b=4mm，c=7mm，v=2.0mm/s。热源效率为0.8。
[0039] 热源施加通过在Load模块，在Step-1中定义载荷，分布类型设置为User-defined，然后在Job模块里设置编辑Job中General选项，读入双椭球热源的Fortran子程序。
[0040] 5.初始条件和边界条件：通过在Initial步定义Predefined field,为整个试件施加20℃的初始温度场。在Interaction模块里定义Surface film condition为整个试件的外表面施加换热系数随温度变化的值。
[0041] 6.提交分析作业及后处理：创建分析作业并提交分析进行计算。完成有限元计算后得到焊后的温度场云图分布，如图2所示
[0042] 应力场模拟包括以下步骤：
[0043] 1.单元类型和力学性能参数：应力场采用八节点六面体缩减积分单元C3D8R，力学性能参数参考《中国航空材料手册》第三卷铝合金部分5A06铝合金的性能。泊松比的值为0.3，随温度变化不大。设置屈服强度、弹性模量、线胀系数随温度变化的值。提取手册中5A06在各温度下的拉伸曲线上应力和应变值并通过计算，获得每个温度下不同塑性应变值和对应的应力值，ABAQUS中Mechanical-Plasticity-Plastic中YieldStress，Plastic Strain，Temp的值设置材料在达到屈服后强化的性质。
[0044] 2.载荷：通过在Step-1中对焊缝区域施加Predefined Field，选择温度场，分布类型选为From results or output database file，读入温度场计算结果。
[0045] 3.边界条件：焊接和冷却过程中，试件两侧受到夹具的约束，当冷却到室温后，撤掉约束。为了模拟这个过程，在Step-1中设置Boundary Condition1，对焊缝上表面每侧距离母材边缘35mm范围内施加厚度方向的位移约束。在Step-3中将约束设置为非激活状态，来模拟撤掉约束。为了防止撤掉约束后试件发生刚性位移，设置Boundary Condition2，即在Step-3中对焊缝一角的一个节点施加三个方向的位移全约束。边界条件的设置见图3。
[0046] 4.提交分析作业后处理：完成有限元计算以后，已得到了全部的焊后有限元结果，包括应力、应变、位移等，如图4、5、6所示。
[0047] 在以上基础上进行焊后超声喷丸矫形过程的模拟。具体过程如下所述：
[0048] 1.有限元模型和网格划分：有限元模型包括工作平面、试件、撞针三部分。工作平面设为解析刚体；试件设为变形体；冲击针按照实际尺寸建模，设为变形体，每组共有7根针组成，沿着焊缝方向共建立30组针。工作平面为解析刚体，不需要划分网格，采用八节点六面体缩减积分单元C3D8R对撞针划分单元，冲击针与读入的焊接变形网格装配并划分网格后的有限元模型如图7所示。
[0049] 2.材料属性：工作平面为解析刚体，不需要设置材料属性；冲击针为钢，采用普通Q235钢的属性，输入密度、弹性模量和泊松比；对于试件，除设置弹性性能外，由于冲击针与试件之间的作用属于高速非线性碰撞过程，试件的材料属性要考虑到加工硬化、应变率效应和温度软化效应。本文采用Johnson-Cook模型来描述5A06的动态本构关系，公式2为该模型的表达式，它反映了上述过程对应力的影响，ABAQUS中有此模型的本构关系设置。
[0050] σ=(A+Bεn)(1+Clnε*)(1-T*m) （2）
[0051] 式中：A为屈服强度，B和n代表了应变强化效应， 为ε0为准静态应变速率，ε为等效塑性应变， Tr为室温，Tm为材料熔点。
[0052] 本 文 中 取 值 为A=130MPa，B=704.6MPa，m=0.93，n=0.62，C=0.0157，ε0 为-4 -15×10 s ，Tr为293K，Tm为853K。
[0053] 3.接触和刚体设置：由于冲击针和试件发生相互碰撞，试件置于工作平面上与平面之间发生作用，因此冲击针与试件之间以及试件与地面之间应建立接触关系。本发明建立了动态面-面接触，共有210个冲击针，因此冲击针与试件之间共建立210个接触对，试件与工作平面之间建立1个接触对。冲击针与试件之间的摩擦系数设定为0.1，试件与工作平面之间的摩擦系数设为0.2。
[0054] 由于冲击针的强度和硬度都高于试件，而且撞击过程不发生较大变形，因此对冲击针进行刚体约束处理，选定参考点建立刚体约束，共设定210个刚体约束。
[0055] 4.载荷及边界条件设置：
[0056] 在载荷设置模块分别需要对试件和冲击针设置载荷，都是通过Predefinedfield来施加。对于焊件，在Initial载荷步设置初始状态，读入过渡步骤中计算出的应力作为预应力场。对于冲击针，在Initial载荷步设置初速度，设为10m/s。各组冲击针之间距离的设置实现了冲击针在不同时刻与试件发生作用。工作平面与试件之间的接触关系模拟了实际冲击时试件置于地面的情况，因此对工作平面刚体的参考点施加三个方向的位移全约束，保证工作平面没有位移。对于试件，在Step-1中设置的BoundaryCondition1与过渡步计算中的边界条件相同，即在焊件一个角的一个节点施加约束。在Step-2中将BoundaryCondition1设置为非激活状态，建立BoundaryCondition2，即对焊件上最低的位置即焊缝起始端右侧的角点上选择8个单元施加三个方向的位移约束。
[0057] 5.提交分析作业及后处理：完成有限元计算，已得到了全部焊接后喷丸矫形的计算结果，包括应力、应变、位移等，如图8、9、10所示的云图，也可以对计算结果做进一步处理。
[0058] 经过和试验结果对比表明本发明是一种切实有效的超声喷丸矫形的模拟方法，对于实际的喷丸过程参数的选择以及对矫形机理解释方面具有十分重要的知道意义。
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