一种基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法

本发明涉及板材焊接，尤其涉及一种基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法。

背景技术：

1、焊接是现代机械制造业中一种零部件成型制造的工艺方法。焊接在汽车、轨道交通、船舶、机械重工业、核工业等领域应用广泛。目前焊接变形的数值模拟方法有热弹塑性有限元法和固有应变法。热弹塑性有限元法通过程序编写热源移动子程序，实现焊接的热固耦合模拟，能较为精确地仿真出焊接过程，但对计算机的硬件要求很高，所以对于大型焊接件计算能力有限。固有应变法将理论计算得到的固有应变加载到焊缝及近焊缝区域，进行一次有限元计算就可以模拟出焊接变形，适用于大型焊接件的仿真模拟。

2、一般的技术人员缺乏计算机的基础知识和焊接仿真的专业性知识，依靠经验又难以准确的预估焊接后工件变形量的大小，且大型焊接件的实验成本高、周期长，因此，现有的板材对缝拼焊变形预测方法存在不能快速快速指导设计阶段和生产阶段的工作的技术缺陷。

3、有鉴于此，有必要对现有技术中板材对缝拼焊变形预测方法予以改进，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于揭示一种基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，用于解决现有技术中的板材对缝拼焊变形预测方法所存在的诸多缺陷，以达到能够快速指导设计阶段和生产阶段的工作的目的。

2、为实现上述目的之一，本发明提供了一种基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，包括：

3、提供一组不同厚度相同材料的板材，基于所述板材建立焊接变形预测模型；

4、获取所述板材的板厚，并通过所述变形预测模型获得不同厚度所述板材的收缩量，以建立所述板材单位固有应变和区域宽度下所述收缩量与所述板厚的曲线关系图；

5、基于所述曲线关系图计算所述板材对缝拼焊的收缩角，以确定所述板材收缩的最大变形量。

6、作为本发明的进一步改进，所述提供一组不同厚度相同材料的板材，基于所述板材建立焊接变形预测模型包括：

7、基于所述板材焊缝所需的焊接工艺，计算固有应变施加区域尺寸并获取板材边缘点，其中，所述板材边缘点位于垂直焊缝的最远处且具有最大变形量；

8、基于所述固有应变施加区域在自由状态下的收缩量，获取所述固有应变施加区域在施加所述固有应变状态下的收缩量，所述自由状态是指所述固有应变施加区域的高度为所述板材的厚度时的状态；

9、基于所述收缩量，获得所述焊缝的收缩角；

10、基于所述收缩角，获取所述板材边缘点的位移。

11、作为本发明的进一步改进，所述获取所述板材的板厚，并通过所述变形预测模型获得不同所述板材的板厚的收缩量，以建立单位固有应变和区域宽度下所述收缩量与所述板厚的曲线关系图包括：

12、基于所述固有应变施加区域的截面尺寸建立三维模型，以划分所述固有应变施加区域，根据所述板材的热膨胀系数的各向异性将所述固有应变施加到所述固有应变施加区域，通过将施加有固有应变的所述固有应变施加区域设置分析步和载荷约束并划分网格，以对施加有固有应变的所述固有应变施加区域进行有限元分析；

13、获取所述板材的板厚，并通过所述有限元分析获得不同所述板材的板厚的收缩量，以建立单位固有应变和区域宽度下所述收缩量与所述板厚的曲线关系图。

14、作为本发明的进一步改进，所述基于所述曲线关系图计算所述板材对缝拼焊的收缩角，以确定所述板材收缩的最大变形量包括：

15、获取所述板材的几何参数、材料参数和焊接工艺参数，并计算单道或多道焊接热源总线能量和固有应变施加区域的偏心值，以确定所述固有应变施加区域的截面尺寸；

16、基于所述固有应变施加区域的截面尺寸计算所述固有应变，并计算单位长度下的固有应变；

17、基于所述单位长度下的固有应变和所述曲线关系图，计算收缩量；

18、基于所述收缩量和所述固有应变区域的高度计算收缩角；

19、基于所述收缩角，计算所述板材边缘点的最大变形量。

20、作为本发明的进一步改进，所述分析步为温度位移耦合，所述载荷约束包括于-1℃下环境约束，所述网格设置为温度位移耦合网格。

21、作为本发明的进一步改进，所述几何参数包括：

22、所述板材的长度、宽度和厚度；

23、所述材料参数包括：

24、所述板材的密度、比热、热传导率、塑性、弹性和热膨胀系数；

25、所述焊接工艺参数包括：

26、所述板材焊接的电压、电流、热效率和焊接速度。

27、作为本发明的进一步改进，所述获取所述板材的几何参数、材料参数和焊接工艺参数，并计算单道或多道焊接热源总线能量和固有应变施加区域的偏心值，以确定所述固有应变施加区域的截面尺寸包括：

28、计算单道或多道焊接热源总能量：q＝ηui/ν，其中，η为热源效率，u为电压，i为电流，v为焊接速度；

29、计算固有应变施加区域的偏心值：其中，h′为固有应变施加区域的高度，h为板厚；

30、则所述固有应变施加区域的截面尺寸：a＝2a×h′，其中，h′＝h-2e，a是固有应变施加区域二分之一的宽度，e为偏心值。

31、作为本发明的进一步改进，所述基于所述收缩角，计算所述板材边缘点的最大变形量包括：

32、根据弧长公式和收缩角计算板材边缘点的最大变形量；

33、最大变形量＝θ×π/180×(b-a)，其中，θ为收缩角，b为板材的宽度，a为固有应变施加区域二分之一的宽度。

34、作为本发明的进一步改进，所述固定应变为横向固有应变。

35、作为本发明的进一步改进，所述板材的厚度为4-100mm。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、本发明提供的一种基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，通过提供两个板材，基于所述板材建立焊接变形预测模型；获取所述板材的板厚，并通过所述变形预测模型获得不同所述板材的板厚的收缩量，以建立所述板材单位固有应变和区域宽度下所述收缩量与所述板厚的曲线关系图；基于所述曲线关系图计算所述板材对缝拼焊的收缩角，以确定所述板材收缩的最大变形量，技术人员通过本发明的预测方法，能够近似计算和预测焊接变形的板材收缩的最大变形量，从而能够快速指导设计阶段和生产阶段的工作。

技术特征：

1.一种基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，其特征在于，所述提供一组不同厚度相同材料的板材，基于所述板材建立焊接变形预测模型包括：

3.根据权利要求2述的基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，其特征在于，所述获取所述板材的板厚，并通过所述变形预测模型获得不同所述板材的板厚的收缩量，以建立单位固有应变和区域宽度下所述收缩量与所述板厚的曲线关系图包括：

4.根据权利要求3所述的基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，其特征在于，所述基于所述曲线关系图计算所述板材对缝拼焊的收缩角，以确定所述板材收缩的最大变形量包括：

5.根据权利要求3所述的基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，其特征在于，所述分析步为温度位移耦合，所述载荷约束包括于-1℃下环境约束，所述网格设置为温度位移耦合网格。

6.根据权利要求4所述的基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，其特征在于，所述几何参数包括：

7.根据权利要求4所述的基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，其特征在于，所述获取所述板材的几何参数、材料参数和焊接工艺参数，并计算单道或多道焊接热源总线能量和固有应变施加区域的偏心值，以确定所述固有应变施加区域的截面尺寸包括：

8.根据权利要求4所述的基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，其特征在于，所述基于所述收缩角，计算所述板材边缘点的最大变形量包括：

9.根据权利要求2中任一项所述的基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，其特征在于，所述固定应变为横向固有应变。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，其特征在于，所述板材的厚度为4-100mm。

技术总结
本发明提供了一种基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法，该基于固有应变法的板材对缝拼焊变形预测方法包括：提供一组不同厚度相同材料的板材，基于板材建立焊接变形预测模型；获取板材的板厚，并通过变形预测模型获得不同板厚板材的收缩量，以建立板材单位固有应变和区域宽度下收缩量与板厚的曲线关系图；基于曲线关系图计算板材对缝拼焊的收缩角，以确定板材收缩的最大变形量。本发明通过基于曲线关系图计算板材对缝拼焊的收缩角，以确定板材收缩的最大变形量，技术人员通过本发明的预测方法，能够近似计算和预测焊接变形的板材收缩的最大变形量，从而能够快速指导设计阶段和生产阶段的工作。

技术研发人员：翟华,李成,马建国,刘志宏,刘琼
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13