一种多工位多道焊接过程仿真的建模与实现方法
【专利摘要】本发明提供的一种多工位多道焊接过程仿真的建模与实现方法，针对多工位多道焊接过程的仿真分析，建立统一的结构模型，设置已焊、在焊和未焊三种材料状态，对于在焊材料状态，建立对应焊接状态的动态材料模型，设置对应温度的材料性能动态控制曲线，更加准确地反应了焊接过程中材料性能的真实变化特征，提高了仿真计算的准确性和可靠性，并且避免了生死单元法带来的计算收敛性问题，提高了针对多工位多条焊缝计算的适用性。
【专利说明】一种多工位多道焊接过程仿真的建模与实现方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接结构性能仿真分析领域，涉及一种多工位多道焊接过程仿真的焊缝建模方法。
【背景技术】
[0002]焊接技术是复杂结构制造过程中的基础加工方法，具有构造简单、易加工、接头强度高、密封性好、结构设计灵活性高、工艺简洁、易修复等技术优势，是轨道交通装备制造中重要的工艺技术之一，在车体、走行、制动以及面板等部件制造中均得到广泛应用。
[0003]在焊接过程，局部区域受到急剧地非平衡加热和冷却，不可避免产生不可忽视的焊接残余应力和变形，这是影响结构设计完整性、制造工艺合理性和结构使用可靠性的关键因素，必须增加附加工序，从而矫正变形，不但浪费时间，花费大量资金，而且可能会带来其它安全隐患，如在焊缝附近发生区域压裂，造成不必要的损失。对于大型构件，结构复杂，焊缝多、分布散无法实现一次性整体焊接，在实际生产中采用分工位焊接的方法，逐步完成焊接构件，在整个焊接过程中，各工位累积产生的残余应力会影响下一工位的变形预测及修正。因此科学地、定量地预测焊接变形影响规律，并在此基础上给予最优控制，采取有针对性措施控制或消除焊接残余变形，对焊接构件的完整性设计和制造工艺方法的选择，以及安全评定都具有重要的理论价值与工程意义。
[0004]随着计算机计算能力的提高以及有限元等数值方法的应用，借助先进的数值仿真技术与手段，结合实验研究与工程实践，实现焊接变形和残余应力准确预测，一方面可以大大降低确定工艺参数所需试验成本，缩短生产试制周期；另一方面，通过焊接过程的仿真，可以为降低应力、控制变形提供更多的量化数据依据，有利于在设计阶段对焊接结构和工艺进行相应的改进和优化。对于复杂和大型焊接结构的焊接残余变形的数值仿真分析和预测中还存在许多困难，主要表现为数值仿真中瞬态分析时间步繁多；结构的自由度数目庞大；材料性能的高度非线性和几何非线性变化导致的收敛困难；三维模型导致计算时间冗长；以及针对具体的焊接工艺，如焊接热输入量、焊接顺序、拘束状态、坡口形状、材料填充、多道焊等因素的具体描述等等，会大大增加建模的难度以及增加计算量和计算时间。
[0005]大型构件的焊接需要多个工位，通过逐次装配、焊接来完成，针对每个工位分别进行建模、仿真计算工作量大，并且存在着各工位仿真结果边界条件传递问题。目前针对多工位多道焊接过程的仿真分析通常将焊缝与母材同时完成建模，而在实际焊接过程中，焊缝是逐步填充的，多采用生死单元法来体现焊缝材料的状态变化，但在死单元激活时，其弹性模量的突然变化会导致计算残差力发生振荡，导致收敛困难。另外还需要对不同焊接构件设置不同的生死单元控制函数，在适用性方面存在一定的局限性。
【发明内容】
[0006]本发明针对以上问题的提出，而研制的一种多工位多道焊接过程仿真的建模与实现方法，具有如下步骤:[0007]一建立焊接工件的有限元模型；
[0008]一定义已焊、在焊和未焊三种材料状态；已焊状态对应已经完成焊接的焊缝，在焊状态对应当前工序下正在进行焊接的焊缝，未焊状态对应尚未开始焊接的焊缝；
[0009]一分别基于三种状态定义焊缝材料模型，描述其状态特征和参数变化。
[0010]“建立焊接工件的有限元模型”具体为:针对最终工位焊接完成后的结构建立包含所有焊接部件和焊缝的网格模型。
[0011]所述步骤“分别基于三种状态定义焊缝材料模型，描述其状态特征和参数变化”具体为:
[0012]基于所述三种材料模型针对第一工位第一焊序的实际状况定义各焊缝的材料状态，在第一道焊序的焊缝加载热载荷，计算该焊序下的结构状态，并以此作为第二焊序的初始条件，计算第二焊序下的结构状态，基于此方式累积计算第一工位下全部焊序的结构状态，以此作为第二工位焊接的初始条件，进而计算第二工位全部焊序的结构状态，以此方式循环累积计算全部工位下的结构状态，从而获得完成多工位多道焊的最终结构状态。
[0013]由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种多工位多道焊接过程仿真的建模与实现方法，针对多工位多道焊接过程的仿真分析，建立统一的结构模型，设置已焊、在焊和未焊三种材料状态，对于在焊材料状态，建立对应焊接状态的动态材料模型，设置对应温度的材料性能动态控制曲线，更加准确地反应了焊接过程中材料性能的真实变化特征，提高了仿真计算的准确性和可靠性，并且避免了生死单元法带来的计算收敛性问题，提高了针对多工位多条焊缝计算的适用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为本发明的流程图
【具体实施方式】
[0016]为使本发明的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述:
[0017]如图1所示:一种多工位多道焊接过程仿真的建模与实现方法，主要包括如下步骤:
[0018]首先针对待焊接弓箭建立焊接工件的有限元模型。具体的方法如下:针对最终工位焊接完成后的结构建立包含所有焊接部件和焊缝的网格模型。
[0019]然后定义已焊、在焊和未焊三种材料状态；已焊状态对应已经完成焊接的焊缝，在焊状态对应当前工序下正在进行焊接的焊缝，未焊状态对应尚未开始焊接的焊缝；
[0020]分别基于三种状态定义焊缝材料模型，描述其状态特征和参数变化:基于所述三种材料模型针对第一工位第一焊序的实际状况定义各焊缝的材料状态，在第一道焊序的焊缝加载热载荷，计算该焊序下的结构状态，并以此作为第二焊序的初始条件，计算第二焊序下的结构状态，基于此方式累积计算第一工位下全部焊序的结构状态，以此作为第二工位焊接的初始条件，进而计算第二工位全部焊序的结构状态，以此方式循环累积计算全部工位下的结构状态，从而获得完成多工位多道焊的最终结构状态。在焊状态用于表征正在焊接的焊缝材料，在实际焊接过程中，焊缝材料是随着焊枪的移动而逐渐填充的，为准确描述此过程，采用虚拟的特殊相来实现焊接和冷却过程中材料参数的设置，首先针对焊接状态，将材料参数设置为较小的固定值，如1.0N/mm2，这样材料不会影响到整体结构的应力应变计算；而针对冷却过程，设定自动转换条件，当加载温度高于焊缝材料的熔化温度时，将材料参数在一个很小的温度范围内迅速转化为熔敷金属属性，在冷却过程中实现正常金属材料的性能转变过程，即弹性模量随温度降低而逐渐增大，直至室温状态下其材料性能与母材相同。
[0021]以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种多工位多道焊接过程仿真的建模与实现方法，具有如下步骤: 一建立焊接工件的有限元模型； 一定义已焊、在焊和未焊三种材料状态；已焊状态对应已经完成焊接的焊缝，在焊状态对应当前工序下正在进行焊接的焊缝，未焊状态对应尚未开始焊接的焊缝； 一分别基于三种状态定义焊缝材料模型，描述其状态特征和参数变化。
2.根据权利要求1所述的多工位多道焊接过程仿真的建模与实现方法，其特征还在于:“建立焊接工件的有限元模型”具体为:针对最终工位焊接完成后的结构建立包含所有焊接部件和焊缝的网格模型。
3.根据权利要求1所述的多工位多道焊接过程仿真的建模与实现方法，其特征还在于:所述步骤“分别基于三种状态定义焊缝材料模型，描述其状态特征和参数变化”具体为: 基于所述三种材料模型针对第一工位第一焊序的实际状况定义各焊缝的材料状态，在第一道焊序的焊缝加载热载荷，计算该焊序下的结构状态，并以此作为第二焊序的初始条件，计算第二焊序下的结构状态，基于此方式累积计算第一工位下全部焊序的结构状态，以此作为第二工位焊接的初始条件，进而计算第二工位全部焊序的结构状态，以此方式循环累积计算全部工位下的结构状态，从而获得完成多工位多道焊的最终结构状态。
【文档编号】G06F17/50GK103870666SQ201410148927
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年4月14日 优先权日:2014年4月14日
【发明者】杨鑫华, 孙屹博, 赵慧敏, 邹丽 申请人:大连交通大学