一种约束状态下构件焊接变形的预测方法
【专利摘要】一种约束状态下构件焊接变形的预测方法，先假设构件在自由状态下焊接后的固有应变与构件在约束状态下焊接后的固有应变、构件在约束状态下焊接后的固有应力之间存在函数关系，并基于实验结果找出函数中的待定参数，再利用这种函数关系和固有应变有限元法进行构件在约束状态下焊接后的固有应力与固有应变的迭代计算，并设置收敛条件，收敛得到约束状态下预测的固有应变和固有应力，最后再通过固有应变有限元法算出构件在约束状态下焊接后的焊接变形。本发明是在预测了构件在约束状态下焊接后的固有应变后再进行固有应变有限元法计算，能更准确地预测构件在约束状态下焊接后的焊接变形。
【专利说明】一种约束状态下构件焊接变形的预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明主要涉及焊接仿真【技术领域】，尤其是指一种约束状态下构件焊接变形的预 测方法。
【背景技术】
[0002] 传统对焊接变形的预测大多基于经验公式或简单的解析方法，但经验公式或简单 的解析方法只适用于简单的板或梁等焊接构件，不适用于实际工程中的多数复杂的焊接结 构。随着现代工业和计算机技术的迅速发展，采用数值模拟对焊接变形和残余应力进行预 测和控制，从而选择最佳工艺参数和组装顺序，已成为目前国内外发展的重要方向。
[0003] 在焊接过程中，焊缝及其附近区域会因外部的热输入，同时受到周围温度较低金 属的约束，从而产生塑性应变、热应变和相变应变等，冷却后的残余应变就决定了最终的残 余应力和变形。现有技术中，固有应变有限元法是一种既能预测大型复杂结构的焊接变形 又比较经济的预测焊接变形的方法，有很大的实用意义和发展前途。
[0004] 在固有应变有限元法中，如果已知固有应变大小和分布与焊接参数以及焊件尺寸 等关系，将固有应变作为初始应变进行弹性有限元计算，就可以得到整个焊件的残余应力 和变形，相比于热弹塑性有限元法，固有应变有限元法能够大大减少计算工作量。构件的焊 接包括有在自由状态下的焊接和在约束状态下的焊接，而在工程焊接中，由于实际的构件 焊接通常是在各种约束状态下进行的，焊接条件也各不相同，较难获取构件在约束状态下 焊接的固有应变，因而现有利用固有应变有限元法进行预测焊接变形时，输入的通常是构 件在自由状态下焊接后的固有应变，而构件在自由状态下焊接后的固有应变与构件在约束 状态下焊接后的固有应变是有所出入的，因而预测的焊接变形结果精度有待提高。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种约束状态下构件焊接变形的预测方法，该方法利用构件 在自由状态下焊接后的的固有应变来预测构件在约束状态下焊接后的固有应变，然后用固 有应变有限元法求得构件在约束状态下焊接后的变形，从而达到提高预测焊接变形结果精 度的目的。
[0006] 为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
[0007] -种约束状态下构件焊接变形的预测方法，包括以下步骤：
[0008] 1. -种约束状态下构件焊接变形的预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
[0009] A.假设在相同焊接条件下，构件在自由状态下焊接后的固有应变f、构件在约 束状态下焊接后的固有应变P和构件在约束状态下焊接后的固有应力之间存在以下关 系：
[0010]ef = e^+af(a) (1)
[0011] 其中a为待定系数矩阵，/(&为关于g的函数；
[0012] b?设定/?(?),并保证./(51)为光滑连续函数且f(〇) = 〇,即当万=〇，r=r, 构件退化为自由状态下的情形，并将设定的/(A代入式a)中，形成第一表达式；
[0013] C.在相同的焊接条件下，测得构件在自由状态下焊接后的固有应变、构件在约束 状态下焊接后的固有应变和构件在约束状态下焊接后的固有应力，根据步骤B得到的第一 表达式求得待定系数矩阵，并将求得的待定系数矩阵代入第一表达式中，以形成第二表达 式；
[0014] D.在其他焊接条件下，根据构件在自由状态焊接后的固有应变和步骤C得到的第 二表达式预测构件在约束状态下焊接后的固有应变，包括步骤D1-D4 :
[0015] D1.把构件在自由状态下焊接后的固有应变作为构件在约束状态下焊接后的固有 应变，利用固有应变有限元法求得预估的构件在约束状态下焊接后的固有应力，即为预估 固有应力；
[0016] D2.把预估固有应力作为构件在约束状态下焊接后的固有应力，结合步骤D1中的 构件在自由状态下焊接后的固有应变，根据步骤C得到的第二表达式求得预测的构件在约 束状态下焊接后的固有应变，即为修正固有应变；
[0017] D3.把修正固有应变作为构件在约束状态下焊接后的固有应变，利用固有应变有 限元法求得预测的构件在约束状态下焊接后的固有应力，即为修正固有应力，并设定该修 正固有应力的最大允许相对误差；
[0018] D4.用修正固有应力替代预估固有应力，并重复步骤D2、D3进行迭代计算，直至修 正固有应力的相对误差小于步骤D3设定的最大允许相对误差时，迭代结束，进入步骤E ; [0019] E.把最后求得的修正固有应变作为构件在约束状态下焊接后的固有应变，利用固 有应变有限元法求得构件在约束状态下焊接后的变形。
[0020] 与现有技术相比，本发明所带来的有益效果有：
[0021] 本发明可根据构件在自由状态下焊接后的固有应变求得构件在各种约束状态下 焊接后的固有应变，进而利用固有应变有限元法精确获得预测构件在约束状态下不同焊接 条件下的焊接变形。本发明是在预测了构件在约束状态下焊接后的固有应变后再进行固有 应变有限元法计算，因而能更准确地预测构件在约束状态下焊接后的焊接变形。
[0022] 下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明：
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明实施例中构件在两边固支的约束状态下焊接的结构示意图；
[0024] 图2为本发明实施例中修正固有应力的相对误差收敛情况示意图；
[0025] 图3为本发明实施例中修正固有应变的相对误差收敛情况示意图；
[0026] 附图标记：10、待焊构件；20、待焊构件；30、焊缝；40、固支边界；50、固支边界； ?1、测试点屮2、测试点丨3、测试点屮4、测试点。
【具体实施方式】
[0027] 图1是构件10和构件20在两边固支的约束状态下焊接后的结构示意图，构件10 和构件20间形成有焊缝30,构件10和构件20受到固支边界40、50的约束，根据本发明的 一种约束状态下构件焊接变形的预测方法可预测焊缝30的焊接变形，该方法包括以下步 骤：
[0028] A.假设在相同焊接条件下，构件在自由状态下焊接后的固有应变f、构件在约 束状态下焊接后的固有应变f和构件在约束状态下焊接后的固有应力〇之间存在以下关 系：
[0029]
【权利要求】
1. 一种约束状态下构件焊接变形的预测方法，其特征在于：包括以下步骤： A.假设在相同焊接条件下，构件在自由状态下焊接后的固有应变f、构件在约束状态 下焊接后的固有应变f和构件在约束状态下焊接后的固有应力σ之间存在以下关系： ε - S' +af(σ) ⑴ 其中ct为待定系数矩阵，/(σ)为关于万的函数； Β.设定/ (σ)，并保证./ (σ)为光滑连续函数且f(O) = 0,即当gf= ，构件 退化为自由状态下的情形，并将设定的/(?)代入式（1)中，形成第一表达式； C. 在相同的焊接条件下，测得构件在自由状态下焊接后的固有应变、构件在约束状态 下焊接后的固有应变和构件在约束状态下焊接后的固有应力，根据步骤B得到的第一表达 式求得待定系数矩阵，并将求得的待定系数矩阵代入第一表达式中，以形成第二表达式； D. 在其他焊接条件下，根据构件在自由状态焊接后的固有应变和步骤C得到的第二表 达式预测构件在约束状态下焊接后的固有应变，包括步骤D1-D4 : DL把构件在自由状态下焊接后的固有应变作为构件在约束状态下焊接后的固有应 变，利用固有应变有限元法求得预估的构件在约束状态下焊接后的固有应力，即为预估固 有应力； D2.把预估固有应力作为构件在约束状态下焊接后的固有应力，结合步骤Dl中的构件 在自由状态下焊接后的固有应变，根据步骤C得到的第二表达式求得预测的构件在约束状 态下焊接后的固有应变，即为修正固有应变； D3.把修正固有应变作为构件在约束状态下焊接后的固有应变，利用固有应变有限元 法求得预测的构件在约束状态下焊接后的固有应力，即为修正固有应力，并设定该修正固 有应力的最大允许相对误差； D4.用修正固有应力替代预估固有应力，并重复步骤D2、D3进行迭代计算，直至修正固 有应力的相对误差小于步骤D3设定的最大允许相对误差时，迭代结束，进入步骤E; E. 把最后求得的修正固有应变作为构件在约束状态下焊接后的固有应变，利用固有应 变有限元法求得构件在约束状态下焊接后的变形。
【文档编号】G06F19/00GK104239696SQ201410437005
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】丁桦, 刘红武, 黄灏, 邓剑, 蓝林华 申请人:广州中国科学院工业技术研究院