专利名称：一种受焊接热循环影响的材料模型及其建立方法
技术领域：
本发明涉及数值模拟领域，特别是关于一种受焊接热循环影响的材料模型及 其建立方法。
背景技术：
焊接数值模拟技术已成为解决焊接结构的残余应力与变形问题的重要手段之 一，焊接数值模拟的主要难点在于提高数值模拟的计算效率和求解精度，而提高 焊接数值模拟的精度依赖于建立精确的数学物理模型。在焊接数值模拟研究早期 的材料模型中，材料的各项性能参数均是一个确定值，不随温度变化。而材料参 数在整个计算过程中都不发生变化，这是非常偏离实际的，必然导致不准确的计 算结果。随着有限元技术的发展，焊接数值模拟中的材料性能参数开始设置为随 温度变化，即在不同的温度下材料性能参数不同(本文将其简称为Mech模型)， 这种模型己经在焊接数值模拟中得到了广泛的应用。但是在实际的焊接热循环过 程中，材料需要经历加热过程和冷却过程，在冷却过程中材料屈服强度随温度变 化的曲线是不同于加热过程的，尤其是对于那些热循环过程能够大大改变材料性 能的金属材料。但是由于在Mech模型中，材料性能仅仅是温度的函数，焊接热循 环的冷却和加热过程中，材料屈服强度随温度变化曲线是一致的，因此与实际情 况相比，还有明显的偏差。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种可提高数值模拟求解精度的受焊接 热循环影响的材料模型及其建立方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种受悍接热循环影响的材料 模型，其特征在于所述材料模型中将材料屈服强度定义为随温度变化，并且随 用户自定义的第一组特征变量和第二组特征变量变化的函数；所述第一组特征变 量是一个二值函数，且将材料处于焊接热循环的加热阶段定义为0，将材料处于焊 接热循环的冷却阶段定义为1;所述第二组特征变量用于表征材料经过焊接加热循 环而产生的性能变化程度，所述第二组特征变量的初始记录值为0，记录值的变量 由增量步的当前温度值与原记录值的比较结果确定。
所述增量步的当前温度值与所述原记录值的比较结果包括以下两种之一若 当前增量步的温度值大于原记录值，表明该节点所处的位置处于焊接热循环的加热阶段，则所述第一组特征变量的值为O，并用此时该节点的温度峰值代替所述第 二组特征变量的原记录值；若当前增量步的温度值小于原记录值，认为该节点所
处的位置已经进入焊接热循环的冷却阶段，则所述第一组特征变量的值为1，所述 第二组特征变量的值保持不变。
如上述的一种受焊接热循环影响的材料模型的建立方法，包括以下步骤1) 测试峰值温度不同的几种典型悍接热循环加热和冷却条件下，材料屈服强度随温 度的变化，获得焊接热循环过程对材料屈服强度影响的数据；2)在程序中设置第
一组特征变量，用来表征材料处于热循环的加热阶段还是冷却阶段，在程序中设 置第二组特征变量，用来记录焊接热循环过程中各个节点的热循环峰值温度，设
定第一组特征变量和第二组特征变量的初始值均为0; 3)在每个时间增量步，提 取各节点当前计算获得的温度值；4)将该节点当前温度值与第二组特征变量的原 记录值进行对比若有限元计算过程中当前增量步的温度值大于原记录值，则表 明该节点所处的位置处于焊接加热过程，则第一组特征变量的值为0,并用此时该 节点的温度值代替第二组特征变量的原记录值；若有限元计算过程中当前增量步 的温度值小于原记录值，则认为该节点所处位置已经开始进入焊接热循环的冷却 阶段，此时，第一组特征变量的值为1，第二组特征变量的值保持不变。
本发明由于釆取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明首先通过热力学 模拟试验，测试了典型焊接热循环过程中不同温度下的材料机械性能，得到了焊 接热循环对材料机械性能影响的具体数据，系统研究了悍接热循环过程对材料性
能的影响，为焊接数值模拟精确建模提供了必要的实验数据。2、本发明在焊接数
值模拟建模中，充分考虑了焊接热循环过程对材料机械性能的影响，在焊接数值 模拟中，将材料焊接热循环过程分为温度上升的加热阶段和温度下降的冷却阶段， 完善了焊接数值精确模拟，可以更加真实地反映出焊接过程中应力应变的演变历
程和规律，更有效地利用数值模拟技术来解决焊接结构的残余应力变形问题。3、
本发明可以广泛用于研究焊接热循环对材料性能影响的过程中，特别是对于在焊 接热循环过程中，材料性能变化明显的焊接数值模拟研究中，同时在不同尺寸规 格的工件采用不同焊接方法的数值模拟研究中，也能够得到很好的应用。
图1是本发明材料性能测试实验方案
图2是本发明材料模型的有限元实现流程图
图3是本发明焊接热循环对铝合金6056屈服强度的影响
图4是本发明材料模型的阐述示意5是本发明平板上表面纵向残余应力分布对比 图6是本发明平板上表面纵向残余塑性应变对比
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
在己有技术的Mech模型中，材料屈服强度仅仅是温度的函数，跟材料所经历 的热循环温度历史无关，确定材料性能参数，仅需要知道材料在当时的温度值即 可。而本发明的受焊件热循环影响的材料模型(以下简称为History模型)的建 立，在考虑热循环过程和确定材料性能参数时，不仅要了解当前时间增量步中的 温度，而且要知道材料是处于热循环过程的加热阶段还是冷却阶段，以及热循环 过程的峰值温度是多少，本发明方法包括以下步骤
1、 如图1所示，测试峰值温度不同的几种典型焊接热循环加热和冷却条件下， 材料屈服强度随温度的变化，较为准确地获得焊接热循环过程对材料屈服强度影 响的数据。本发明在进行材料性能测试试验时，典型焊接热循环过程中的升温速 率、峰值温度、保温时间和降温速率等，均是参照实际焊接过程中的温度场测量 设定的。
2、 在焊接数值模拟中，将材料屈服强度定义为随温度变化，且随用户自定义 的某两组特征变量变化。其中特征变量I用于表征材料处于加热阶段还是冷却阶 段，是一个二值函数，定义0表示材料处于加热阶段，定义1表示材料处于冷却
阶段；特征变量n用于表征材料经过焊接加热过程而产生的性能变化程度。由于
焊接过程的准稳态特点，本发明提取峰值温度作为特征变量II的变量，在采用有 限元计算过程中，焊接数值模拟计算的时间步长设定为自适应时间步长，具体步 骤如下(如图2所示)
① 在程序中设置一组特征变量II，用来记录焊接热循环过程中各个节点的热 循环峰值温度，设定特征变量I和特征变量II的初始值均为0;
② 在每个时间增量步，提取各节点当前计算获得的温度值；
③ 将节点当前温度值与特征变量n对比-
若有限元计算过程中当前增量步的温度值大于特征变量II的原记录值，则表 明该节点所处位置位于焊接热循环的加热阶段，则其特征变量I的值为O，并用此
时该节点的温度值代替特征变量II的原记录值；
若有限元计算过程中当前增量步的温度值小于特征变量n的原记录值，则认
为该节点所处位置已经开始进入焊接热循环的冷却阶段，则特征变量I的值为1，
特征变量II的值保持不变； 根据特征变量I与特征变量II的值以及当前温度值，判断材料模型中材
料性能的数据，若某节点特征变量I的值为o，则表明该节点尚处于焊接加热阶段， 材料性能随温度的变化遵循加热曲线；若特征变量I的值为1，则该节点已处于焊 接冷却阶段，根据其峰值温度即特征变量II的值，确定材料性能随温度变化所遵 循的曲线，并根据当前温度值来最终确定材料性能参数。
下面通过具体实施例对本发明建立的材料模型进行验证。
如图3所示，材料机械性能测试试验在Gleeble 1500D热力模拟实验系统上 完成，选取铝合金6056为代表，测试峰值温度不同的几种典型焊接热循环加热和 冷却过程中，材料屈服强度随温度的变化。从对铝合金6056的材料性能测试试验 结果可以看出，在峰值温度不同的焊接热循环冷却过程中，材料屈服强度随温度 的变化遵循一系列不同于热循环加热过程的曲线。
在材料机械性能测试试验结果的基础上，通过焊接数值模拟，建立采用已有 技术的Mech模型和采用本发明方法的History模型，History模型与Mech模型的 不同之处在于History模型考虑了焊接热循环对材料屈服强度的影响。如图4所 示，峰值温度分别为30(TC和40(rC的焊接热循环过程，其中实线箭头代表加热过 程，虚线箭头代表冷却过程。在焊接热循环过程的加热阶段，设置特征变量I的 值为0，特征变量II的值为0，材料屈服强度随温度的变化遵循图中的曲线a。而 峰值温度为30(TC的焊接热循环冷却阶段，设置特征变量I的值为1，特征变量II 的值为300，材料屈服强度随温度的变化遵循图中的曲线b;峰值温度为40(TC的 焊接热循环冷却阶段，设置特征变量I的值为1，特征变量II的值为400，材料 屈服强度随温度的变化遵循曲线c。由此可以看出，焊接热循环冷却过程中材料屈 服强度随温度的变化不同于加热过程，并且跟热循环峰值温度息息相关。
焊接数值模拟采用已有技术中的有限元软件ABAQUS完成。采用两块尺寸为 500ramX150mraX3 mm的铝合金6056薄板，采用钨极氩弧焊(TIG)对焊过程作为 研究对象，焊接电压为16V，平均电流为290A，焊接速度为4.42ram/s，采用高斯 函数分布的表面热源，热源有效系数为0.5，热源有效半径为5mra，各项材料性能 参数设置为随温度变化。在焊接温度场计算相同的情况下，运用已有技术的Mech 模型和采用本发明方法的History模型，对焊接应力应变场进行数值模拟，结果 表明History模型的焊接数值模拟结果与Mech模型的焊接数值模拟结果存在很大 的不同。
如图5所示，从平板试样上表面的纵向残余应力对比可以看出，考虑焊接热 循环过程对材料性能的影响，对焊后纵向残余应力分布的模拟结果有重要影响已有技术的Mech模型焊缝区的纵向残余拉应力值为420MPa左右；本发明History 模型焊缝区的纵向残余拉应力值低于100MPa， History模型焊缝区的纵向残余拉 应力明显低于Mech模型焊缝区的纵向残余拉应力。如图6所示，从平板试样上表 面的纵向残余塑性应变对比可以看出，本发明History模型焊缝区的纵向残余压 縮塑性应变明显比Mech模型要小，而且History模型中焊缝区较低的纵向残余压 縮塑性应变与较低的纵向残余拉应力存在很好的对应关系。因此，本发明History 模型的模拟结果更加接近于实际情况，采用本发明中建立的考虑焊接热循环影响 的材料模型，能够有效地提高焊接数值模拟的计算精度。
权利要求
1、一种受焊接热循环影响的材料模型，其特征在于所述材料模型中将材料屈服强度定义为随温度变化，并且随用户自定义的第一组特征变量和第二组特征变量变化的函数；所述第一组特征变量是一个二值函数，且将材料处于焊接热循环的加热阶段定义为0，将材料处于焊接热循环的冷却阶段定义为1；所述第二组特征变量用于表征材料经过焊接加热循环而产生的性能变化程度，所述第二组特征变量的初始记录值为0，记录值的变量由增量步的当前温度值与原记录值的比较结果确定。
2、 如权利要求l所述的一种受焊接热循环影响的材料模型，其特征在于增 量步的当前温度值与所述原记录值的比较结果包括以下两种之一若当前增量步的温度值大于原记录值，表明该节点所处的位置处于焊接热循 环的加热阶段，则所述第一组特征变量的值为0，并用此时该节点的温度峰值代替 所述第二组特征变量的原记录值；若当前增量步的温度值小于原记录值，认为该节点所处的位置已经进入焊接 热循环的冷却阶段，则所述第一组特征变量的值为1，所述第二组特征变量的值保 持不变。
3、 如权利要求1或2所述的一种受焊接热循环影响的材料模型的建立方法， 包括以下步骤1) 测试峰值温度不同的几种典型焊接热循环加热和冷却条件下，材料屈服强 度随温度的变化，获得焊接热循环过程对材料屈服强度影响的数据；2) 在程序中设置第一组特征变量，用来表征材料处于热循环的加热阶段还是 冷却阶段，在程序中设置第二组特征变量，用来记录焊接热循环过程中各个节点 的热循环峰值温度，设定第一组特征变量和第二组特征变量的初始值均为0;3) 在每个时间增量步，提取各节点当前计算获得的温度值；4) 将该节点当前温度值与第二组特征变量的原记录值进行对比 若有限元计算过程中当前增量步的温度值大于原记录值，则表明该节点所处的位置处于焊接加热过程，则第一组特征变量的值为0，并用此时该节点的温度值 代替第二组特征变量的原记录值；若有限元计算过程中当前增量步的温度值小于原记录值，则认为该节点所处 位置己经开始进入焊接热循环的冷却阶段，此时，第一组特征变量的值为l，第二 组特征变量的值保持不变。
全文摘要
本发明涉及一种受焊接热循环影响的材料模型及其建立方法，其特征在于所述材料模型中将材料屈服强度定义为随温度变化，并且随用户自定义的第一组特征变量和第二组特征变量变化的函数；所述第一组特征变量是一个二值函数，且将材料处于焊接热循环的加热阶段定义为0，将材料处于焊接热循环的冷却阶段定义为1；所述第二组特征变量用于表征材料经过焊接加热循环而产生的性能变化程度，所述第二组特征变量的初始记录值为0，记录值的变量由增量步的当前温度值与原记录值的比较结果确定。本发明充分考虑了焊接热循环过程对材料机械性能的影响，完善了焊接数值的模拟精确，真实地反映出焊接过程中应力应变的演变历程和规律，更有效的利用数值模拟技术来解决焊接结构的残余应力变形问题。
文档编号G06F17/50GK101599103SQ20091008840
公开日2009年12月9日 申请日期2009年6月29日 优先权日2009年6月29日
发明者史清宇, 吴爱萍, 张增磊, 鄢东洋 申请人:清华大学