一种在结构中引入残余应力的有限元方法

1.本发明涉及有限元仿真技术领域，尤其涉及一种在结构中引入残余应力的有限元方法。


背景技术：

2.残余应力是材料、结构在机加工或合金过程中产生的平衡于材料和结构内部的应力。在制造过程中，特别是经过热加工处理，不可避免地会在材料和结构内部产生残余应力。残余应力是影响材料、结构机械性能和失效行为的重要因素。
3.为了对残余应力进行准确的测量，mathar于1933年最先提出使用盲孔法测量残余应力，soete等采用应变片测量残余应力进一步提高了测量的精确性，美国材料试验协会也颁布了残余应力测量的标准(astm e837-01e1)。经过几十年的发展，已形成了包含钻孔法、切条法、逐层铣削法、x射线衍射法、中子衍射法、磁性法、超声波法等在内的数十种残余应力的测量方法。然而，仅仅测量残余应力还不够，若要研究和理解残余应力对材料和结构机械性能和失效行为的影响，还需要引入残余应力。
4.异种金属焊接接头（异种金属焊接接头）是核电压力容器中的薄弱环节，在使用过程中通常会以腐蚀疲劳、应力腐蚀、延性/脆性损伤及断裂等形式失效。为了保证核电压力容器的安全，需要对异种金属焊接接头的断裂行为进行详细的研究。残余应力同样是影响异种金属焊接接头断裂行为的重要因素之一。在应力造成的裂纹扩展事故中，30%以上由焊接造成的残余应力造成，40%以上由塑性加工引起的残余应力造成。因此在研究核电安全端异种金属焊接接头的断裂行为时，如何引入残余应力，成为本领域技术人员继续亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明拟解决的技术问题是针对以上不足，提供一种在结构中引入残余应力的有限元方法。
6.为解决以上问题，本发明采用的技术方案如下：一种在结构中引入残余应力的有限元方法，其特征在于，包括以下步骤： s1，在abaqus软件中建立第一结构模型，并复制第一结构模型，将复制后的第一结构模型定义为第二结构模型；s2，向第一结构模型施加载荷f，通过有限元数值计算得到该载荷f下第一结构模型的裂尖应力场；s3，通过abaqus软件中restart重启动的方法，将步骤s2中第一结构模型的裂尖应力场作为残余应力导入第二结构模型中，即实现在第二结构模型中引入该结构在载荷f下的残余应力。
7.作为一种改进，所述s1中的第一结构模型为三点弯曲试样。
8.作为一种改进，所述三点弯曲试样选用核电安全端52m镍基合金异种金属焊接接
头；其中选用核电安全端52m镍基合金异种金属焊接接头，该异种金属焊接接头用于连接接管嘴和安全端；接管嘴材料为sa508gr.3cl.2低合金钢；安全端过渡短管材料为f316ln奥氏体不锈钢；隔离层和对接焊缝材料均采用52m/ernicrfe-7a镍基合金。
9.作为一种改进，所述三点弯曲试样的宽度w=14.4mm，厚度b=12mm，跨距l=57.6mm，l=4w。
10.作为一种改进，所述载荷f为在异种金属焊接接头三点弯曲试样模型（1）的左右两面施加的均布载荷，载荷值为50mpa。
11.本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有以下优点：本发明的技术方案，能方便地将结构受力后的残余应力引入该结构中，以方便对结构的机械性能和失效行为做进一步的研究，进而了解残余应力对机械性能和失效行为的影响，能更好的利用残余应力或减少残余应力对结构性能的影响，且具有易于操作，适于实用等优点。
12.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图说明
13.图1为实施例1中镍基合金异种金属焊接接头的结构示意图；图2为图1中a508/52mb界面附近区域的结构示意图；图3为实施例1中异种金属焊接接头三点弯曲试样模型的结构示意图；图4为实施例1中异种金属焊接接头三点弯曲复样模型的结构示意图；图5为实施例1中向异种金属焊接接头三点弯曲试样模型施加载荷f的示意图；图6为实施例1中向异种金属焊接接头三点弯曲复样模型中添加残余应力后裂纹尖端的残余应力的示意图；图7为实施例8中向异种金属焊接接头三点弯曲试样模型施加载荷f的示意图；图8为实施例9中向异种金属焊接接头三点弯曲试样模型施加载荷f的示意图；其中：1-异种金属焊接接头三点弯曲试样模型，2-异种金属焊接接头三点弯曲复样模型。
具体实施方式
14.实施例1一种在结构中引入残余应力的有限元方法，包括以下步骤： s1，在abaqus软件中建立第一结构模型，并复制第一结构模型，将复制后的第一结构模型定义为第二结构模型。
15.s2，向第一结构模型施加载荷f，通过有限元数值计算得到该载荷f下第一结构模型的裂尖应力场。向第一结构模型施加载荷f时，可以根据需求在模型的不同表面，例如左右两面、或上下两面、或前后两面、或左右上下前后六面施加需要的载荷。
16.s3，通过abaqus软件中restart重启动的方法，将步骤s2中第一结构模型的裂尖应力场作为残余应力导入第二结构模型中，仅导入应力场而不导入应变场，即实现在第二结构模型中引入该结构在载荷f下的残余应力。
17.abaqus软件中restart重启动的方法：在使用abaqus软件进行仿真分析时，可能会
出现停电、硬盘空间不足等原因造成的分析突然中止的状况，重启动就是一种可以在出现这些意外情况时，重新启动停止的计算文件，完成后续分析的功能。
18.abaqus软件中restart重启动的主要功能是启动在分析过程中终止的分析。作业可能因为以下的原因中止：1、达到分析步指定的最大增量数量；2、没有足够的硬盘空间，或计算机失效；3、作业不能收敛。在以下情况之后，需要继续分析作业：1、需要在特殊的点检查结果；2、修改历程：分析内容、载荷、输出或控制信息；3、在abaqus/standard和abaqus/explicit之间传递数据，联合仿真的应用。
19.在使用重启动功能时，首先需要在原始计算模型里面进行重启动设置，在软件step模块下主菜单output选项中进行设置。设置选项包括需要重启动的分析步，输出重启动文件的频率等。
20.文件写出句法：*restart, write,frequency= , overlaywrite 和frequency-在分析过程中，控制重启动数据写出的频率。如果write被指定，重启动数据在分析步结束时被写出。
21.overlay
ꢀ‑
让abaqus只写出最后一组重启动数据。在每个分析步中将只有一组重启动数据。
22.重启动文件的读取：基于原文件中对重启动的设置，我们通过读取的方式来进行重启动分析，需要选定进行重启动的文件名称、重启动的分析步及增量步。通过如下图所示的界面来完成。
23.文件读取句法：*restart, read, step= , inc= , end stepread, step, 和inc-从前面分析的指定分析步和指定增量步读取重启动数据，默认值为从上一个可用的重启动数据读取数据。
24.end step-结束重启动文件的读取。
25.下面以异种金属焊接接头三点弯曲试样为例，具体介绍在该结构中引入残余应力的有限元方法。
26.如图1所示，异种金属焊接接头三点弯曲试样选用核电安全端52m镍基合金异种金属焊接接头，该异种金属焊接接头用于连接接管嘴和安全端。其中，接管嘴材料为sa508gr.3cl.2低合金钢，简称为a508。安全端过渡短管材料为f316ln奥氏体不锈钢，简称为316l。隔离层和对接焊缝材料均采用52m/ernicrfe-7a镍基合金，但焊接工艺不同。将堆焊形成的隔离层材料记为52mb，将对接多道焊形成的焊缝材料记为52mw。
27.如图2所示，按照力学性能的不同，可将该异种金属焊接接头 a508/52mb界面附近区域分为热影响区（haz）、熔合区（fz）和近界面区（niz）三个区，并按照微观组织和硬度的分布将haz进一步细分为a、b、c、d 四个子区域，将niz进一步细分为f、g 两个子区域，fz为单一的e区。
28.a508、316l、52mb和52mw 4种材料的弹性模量分别为202410、156150、178130和178130 mpa， a～g各子区域材料的弹性模量为180000 mpa，所有材料的poisson比均为0.3。
29.在异种金属焊接接头三点弯曲试样结构中引入残余应力的有限元方法，包括以下步骤： s1，在abaqus软件中建立第一结构模型。根据上述异种金属焊接接头三点弯曲试
样的参数建立异种金属焊接接头三点弯曲试样模型（1），异种金属焊接接头三点弯曲试样模型（1）即第一结构模型。如图3所示，异种金属焊接接头三点弯曲试样模型（1）的宽度w=14.4mm，厚度b=12mm，跨距l=57.6mm ，l=4w。复制第一结构模型，将复制后的第一结构模型定义为第二结构模型。如图4所示，即复制该异种金属焊接接头三点弯曲试样模型（1），将复制后的模型定义为异种金属焊接接头三点弯曲复样模型（2）。异种金属焊接接头三点弯曲复样模型（2）即第二结构模型。为了便于说明而不是用于限制，将图4中异种金属焊接接头三点弯曲复样模型（2）的左、右分别定义为左和右；将图4中异种金属焊接接头三点弯曲复样模型（2）的上侧、下侧分别定义为上、下。将图4中异种金属焊接接头三点弯曲复样模型（2）的前侧面定义为前，与之相对的一侧定义为后。
30.s2，向异种金属焊接接头三点弯曲试样模型（1）施加载荷f。载荷f可根据需求在异种金属焊接接头三点弯曲试样模型（1）的左右两面、或上下两面、或前后两面、或左右上下前后六面施加载荷，例如载荷值可以是1mpa、或5mpa、或10mpa、或20mpa、或50mpa、或100mpa、或150mpa，以在裂尖产生不同的应力。三点弯曲试样的初始裂纹位于a508/52mb界面位置。在abaqus软件中通过有限元数值计算得到该载荷f下第一结构模型的裂尖应力场。如图5所示，本实施例中载荷为在异种金属焊接接头三点弯曲试样模型（1）的左右两面施加的均布载荷，载荷值为50mpa。
31.s3，通过abaqus软件中restart重启动的方法，将步骤s2中异种金属焊接接头三点弯曲试样模型（1）的裂尖应力场作为残余应力导入异种金属焊接接头三点弯曲复样模型（2）中。值得注意的是，仅导入应力场而不导入应变场。
32.此时三点弯曲复样模型（2）在裂纹尖端所得到的残余应力如图6所示，在x轴、y轴、z轴的残余应力大小分别为-250.336 mpa、-101.749 mpa、-139.374 mpa。通过上述方法，即能实现在第二结构模型中引入该结构在载荷f下的残余应力。进而可以进一步研究引入残余应力后第二结构模型的结构机械性能和失效行为。
33.实施例2与实施例1的不同之处在于，载荷f的大小不同，f=1mpa。三点弯曲复样模型（2）在裂纹尖端所得到的残余应力如下表所示。
34.实施例3与实施例1的不同之处在于，载荷f的大小不同，f=5mpa。三点弯曲复样模型（2）在裂纹尖端所得到的残余应力如下表所示。
35.实施例4与实施例1的不同之处在于，载荷f的大小不同，f=10mpa。三点弯曲复样模型（2）在裂纹尖端所得到的残余应力如下表所示。
36.实施例5与实施例1的不同之处在于，载荷f的大小不同，f=20mpa。三点弯曲复样模型（2）在裂纹尖端所得到的残余应力如下表所示。
37.实施例6与实施例1的不同之处在于，载荷f的大小不同，f=100mpa。三点弯曲复样模型（2）在裂纹尖端所得到的残余应力如下表所示。
38.实施例7与实施例1的不同之处在于，载荷f的大小不同，f=150mpa。三点弯曲复样模型（2）在裂纹尖端所得到的残余应力如下表所示。
39.如图7所示，实施例8与实施例1的不同之处在于，载荷f为施加在三点弯曲复样模型（2）上表面和下表面的均布载荷，f=50mpa。三点弯曲复样模型（2）在裂纹尖端所得到的残余应力如下表所示。
40.如图8所示，实施例9与实施例1的不同之处在于，载荷f为施加在三点弯曲复样模
型（2）前表面和后表面的均布载荷，f=50mpa。三点弯曲复样模型（2）在裂纹尖端所得到的残余应力如下表所示。 载荷ff方向x轴的裂尖应力y轴的裂尖应力z轴的裂尖应力实施例21mpa左右-4.681mpa-2.601mpa-1.898mpa实施例35mpa左右-31.066mpa-17.492mpa-12.701mpa实施例410mpa左右-48.600mpa-26.962mpa-19.632mpa实施例520mpa左右-88.159mpa-48.950mpa-35.713mpa实施例6100mpa左右-441.564mpa-274.639mpa-371.455mpa实施例7150mpa左右-497.467mpa-325.599mpa-256.449mpa实施例850mpa上下51.294mpa22.198mpa-16.065mpa实施例950mpa前后14.327mpa-43.509mpa8.306mpa
41.综上所述，本发明一种在结构中引入残余应力的有限元方法，能方便地将结构受力后的残余应力引入该结构中，以方便对结构的机械性能和失效行为做进一步的研究，进而了解残余应力对机械性能和失效行为的影响，能更好的利用残余应力或减少残余应力对结构性能的影响，且具有易于操作，适于实用等优点。
42.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。