CSTM-焊接残余应力有限元计算导则

ICSXX.XXX.XXXXX团 体 标 准T/CSTMXXXXX-202X焊接残余应力有限元计算方法Finiteelementcalculationmethodforweldingresidualstress202X-XX-XX发布202X-XX-XX实施中关村材料试验技术联盟T/CSTMXXXXX—2021T/CSTMXXXXX—20211焊接残余应力有限元计算方法范围本文件规定了焊接残余应力有限元计算分析方法的术语、符号及说明、分析流程、输入信息、分析软件、有限元建模、温度场分析方法、耦合分析方法、应力场分析方法、技术文件等内容。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适应于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T3375焊接术语GB/T31054—2014机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语GB/T33582—2017机械产品结构有限元力学分析通用规则术语和定义GB/T31054—2014界定的以及下列术语和定义适用于本文件。有限单元法finiteelementmethod有限元法；将连续的求解域离散为有限个单元，并在给定约束条件下，利用有限单元的近似解逼近真实物理系统的数值分析方法；有限元分析finiteelementanalysis基于有限单元法的结构性能分析；单元element具有几何、物理属性的最小求解域；节点node单元之间的铰接点；注：每个单元仅在节点处和相邻单元及外部发生联系；有限元模型finiteelementmodel以有限数量单元的组合逼近机械产品结构的模型，或更一般地物理系统结构的模型；有限元建模finiteelementmodeling构建有限元模型的过程，包括几何模型处理、有限单元设置和划分等步骤；边界条件boundaryconditions在给定工况下，求解域边界上的几何、物理条件，如力、温度、速度和位移等；材料性能materialproperty材料的力学、热学等物理性能参数；应力stress结构某点受到的单位面积内力；纵向longitudinal平行于焊接方向的方向；横向transverse垂直于纵向、平行于紧靠焊缝坡口表面的方向；法向normal垂直于由纵向和横向确定的平面的方向热输入heatinput熔化焊时，输入给单位长度焊缝上的热能；道间温度interpasstemperature多层多道焊时，在施焊后继焊道之前，其相邻焊道应保持的温度；连续冷却转变曲线continuouscoolingtransformation反映连续冷却条件下过冷奥氏体的转变规律曲线；扩散型相变diffusivephasetransformation组织转变通过元素扩散的方式进行，例如铁素体、珠光体、贝氏体相变等；非扩散型相变non-diffusivephasetransformation组织转变过程中不会发生元素的扩散，或者存在扩散作用但不是相变所必须的因素；相变塑性transforminducedplasticity材料在相变的过程中，会出现软化现象，即载荷小于屈服强度材料仍会出现塑性变形现象。符号和说明表1给出的符号适用于本文件。表1符号和说明符号说明单位K热传导系数W/m2·Kcp比热容J/(kg·K)ρ密度kg/m³Hnet净热输入J/mP电弧功率J/sI电流AU电压Vη焊接热效率--v焊接速度mm/sT瞬时温度KTrt室温KTm熔点温度K∆T温度范围K分析流程焊接残余应力有限元分析流程如图1所示：图1焊接残余应力有限元分析流程图输入信息采集工艺信息需要采集的焊接工艺信息主要包括：焊接方法；焊接件整体几何尺寸；焊接接头宏观截面图；d）焊接热输入：包括电流、电压、焊接速度；e）焊接坡口：包括坡口形式、坡口角度等；f）起弧收弧位置；g）焊接顺序；h）焊道数量；i）预热温度；g）层间温度；k）机械约束；l）盖面焊和清根焊的使用；m）焊接效率：常见焊接方法的焊接热效率η值可参考表2。表2常见焊接方法的热效率焊接方法η埋弧焊1.0焊条电弧焊0.8惰性气体保护焊0.8活性气体保护焊0.8非熔化极惰性气体保护电弧焊0.6等离子弧焊0.6材料信息需确定焊材、母材的牌号及其化学成分，当焊材与母材的化学成分接近时，可采用相同的材料参数进行有限元分析；材料属性单位应与几何模型单位一致；经过实验验证的材料属性信息宜作为数据积累，为材料属性设置作参考。热物性材料参数包括热传导系数K，比热容cp，密度ρ，均为随温度变化的非线性参数。基础计算及精准计算所需输入的各材料参数温度区间如表3所示。0.6Tm-Tm温度区间内的材料参数通过插值获取，超过Tm时各类热物性参数将被设为恒定值。表3所需热物性参数温度区间参数精准计算温度区间基础计算温度区间KTrt-TmTrt-0.6TmcpTrt-TmTrt-0.6TmρTrtTrt力学参数包括弹性模量E、泊松比v、热膨胀系数α、强化参数。基础计算及精准计算所需输入的各材料参数的温度范围如表4所示。0.6Tm-Tm（基础分析）或0.7Tm-Tm（精准分析）温度区间内的材料参数通过插值获取。为提高有限元计算的收敛性，通常将熔点Tm以上的弹性模量值及强化参数设置为其室温值的1%；表4所需力学参数温度区间参数精准计算温度区间基础计算温度区间弹性模量Trt-TmTrt-0.6Tm泊松比Trt-TmTrt热膨胀系数Trt-TmTrt-0.6Tm强化参数混合强化(Trt-0.7Tm)各向同性强化(Trt-0.6Tm)确定有限元分析软件所选择有限元软件需具备以下基本功能：熔覆金属的添加为实现焊缝金属的熔敷，软件需要具有添加和移除单元的功能，或者可以对单元的材料属性进行控制，实现将焊缝金属在适当的时间“激活”，详见8.5；热源模型的建立计算软件需能够通过施加节点温度，或者在单元上施加热源实现规定的温度；材料性能的添加有限元软件还需能够处理温度相关的材料参数，并可以计算由热传导、热对流和热辐射而产生的热损失。此外，需能实现用硬化模型来描述材料的力学行为，至少包含随动硬化或者各向同性硬化模型。有限元建模确定建模方法二维截面模型所需分析时间相对较短，适用于厚壁多道焊结构的残余应力求解，适用于预测其横向及法向应力的分布。该方法通常基于平面应变假设，纵向应力的预测值偏大；二维轴对称模型相当于同时焊接整个圆周，适用于厚壁结构多层多道焊的模拟；三维壳单元模型适用于薄壁结构或者是法向应力可被忽略的情况；三维实体单元模型适用于求解复杂结构中沿焊接方向位置的应力（如补焊区域、薄壁结构、焊缝收弧引弧位置的残余应力计算），但所需建模及计算耗时较长；几何模型建立依据实际焊接结构尺寸、按照1:1的比例关系建立整体模型，熔池区域需依据焊缝宏观截面图进行建模，包括逐个焊道的熔融轮廓、余高等几何特征，焊道横截面的几何形状通常理想化为梯形；网格划分a）在焊缝及近焊缝区，以及重点关注的结构区域，需要进行高度的网格细化，远离焊缝区可采用较稀疏的网格；b）可采用自适应网格技术，实现网格细分区域只集中在热源附近，而其它部分则能够保持较疏的网格，从而降低整体网格数量，提高运算速度；c）当采用移动热源进行温度场分析时（详见9.2.1），应确保焊缝区网格尺寸至少小于热源模型特征尺寸的一半；单元类型选择a）大多数有限元软件提供的主要单元类型包括：低阶完全积分单元/减缩积分单元、高阶完全积分单元/减缩积分单元，高阶单元相较于低阶单元能准确描述变形、应力集中问题；b）热分析既可采用低阶单元也可采用高阶单元，但采用低阶单元时需要细化网格以增加精度；如果考虑潜热效应，宜采用低阶单元，然后可以使用高阶单元进行应力场分析；c）在进行应力分析时，应使用减缩积分单元，以避免在完全积分的单元中发生自锁问题；结构形状不规则、变形和应力分布复杂时宜选用高阶单元。焊缝金属的填充生死单元法运算前，将整个焊缝的刚度矩阵与极小的因子相乘，使未被加热的焊缝单元定义为“死单元状态”，不出现在几何模型中；焊接热过程开始，通过乘以包含若干单元的相应焊缝矩阵，按照实际焊接顺序逐个恢复焊道；材料参数控制法焊缝区域的所有网格单元始终出现在计算模型中，通过控制材料参数使未加热的焊缝单元处于未被激活的状态。热源前后的焊缝金属被定义为具有不同的场变量。在热分析中，可以通过将热导率降低两个数量级等效为材料未加热的状态。在应力分析中，可通过在改变材料拉伸性能来实现。温度场分析热源模型的选择根据对8.1中各建模方法匹配热源模型，整体分为移动热源模型及静态等效热源模型：移动热源模型分类：面热源模型、体热源模型、组合热源模型；移动热源适用于三维实体单元建模方法及三维壳单元建模方法，是最贴近实际焊接热源的形式，更适用于预测沿焊接方向的应力；面热源模型适用于薄壁焊接结构，主要类型为高斯表面热源，其热源分布函数为：(1)式中，q(r)为距离热源中心r处的热流密度，η为焊接热效率，U和I分别为电流和电压，以上参数根据焊接工艺直接给出；R0为有限热源半径，通常根据对比实际及计算的熔化区截面半径将R0值进一步优化，如果模拟得到的焊缝熔化区半径比实际略小，则应调小R0值，若比实际略大，应增大R0值。体热源模型适用于具有较大熔深的焊缝；常见的体热源模型包括半椭球、椭球及双椭球体热源模型，三种模型对应的热源分布函数可分别表示为公式（2）-（4）。对于具有大电弧冲击效应的焊接方法，如氩弧焊，宜采用双椭球体热源；(2)式中，x、y、z分别为与热源中心x、y、z方向上的距离，c为半球体半径。(3)式中，a、b、c分别为椭球体三个方向的半轴长。 (4)式中，f1、f2分别为双椭球前、后部分椭球的能量分配系数，且f1+f2=2，建议f1取1.6，f2取0.4；a1、a2、b和c分别为双椭球热源的形状参数。计算前，需根据焊缝几何中心设置热源起始位置，建议根据实际焊缝宽度确定a、a1、a2、b的初始值，根据实际焊缝深度确定c的初始值。建议取：a=b=a1=0.5a2≈0.45Wwidth(5)c≈0.9Wdepth(6)式中，Wwidth、Wdepth分别为实际焊缝的宽度及深度。根据对比实际及计算的熔化区截面尺寸将热源半径值进一步优化。对于复杂的焊道形貌，宜采用包含双椭球体热源的组合热源。静态等效热源模型适用于二维截面建模法或者是厚壁结构的三维建模方法，适用于预测横向及法向应力；该热源作用区域内任意一点的生热率为：(7)V为热源作用体积；需选取整个焊缝体积的1/10-1/5对V进行试算，结合实验结果进行标定，不断调整V值以获取合适的温度场计算结果。热输入的确定焊接热输入H由单个焊缝在单位长度上的焊接电弧净能量决定；(8)其中，P是焊接电弧功率(电流U和电压I的乘积)，v是焊接速度(即电弧移动速度)，焊接热效率η可参考表2。根据该公式可对热输入进行初步计算，并需进一步根据温度场预测结果对热输入值进行细致调整。热边界条件处理对流对流换热效应在低温区影响显著，需在模型表面设置材料的对流交换系数，绝缘的表面及对称平面的表面不需进行对流传热设置；辐射辐射换热效应在高温区影响显著，同样需在表面施加热辐射系数；预热温度通过设置模型初始温度实现，也可通过将对流和辐射条件下的环境温度等于预热温度使预热效应一直维持；道间温度应控制熔覆后焊缝的道间温度，通常设置为测量值或者焊接工艺卡设定值的上限。后处理与结果评估需提取处理如下结果进行评估：最高温度检查焊缝区域的最高温度是否均超过熔点；焊缝熔合线边界将温度分布云图显示上限设置为材料的固相线温度以显示熔合线边界，与焊接接头宏观截面图对比。如果缺乏宏观截面图，需与有相近热输入量及尺寸的焊接接头模型进行对比，熔合区的预测和测量面积差值应在±20％之内；瞬时温度曲线宜对熔合线外10mm以内的位置提取瞬时焊接热循环温度曲线，与热电偶测试所得温度循环曲线进行对比，预测和测量的瞬态温度差值应在±10％之内。顺次耦合分析方法顺次耦合是指焊接热是产生应力和变形的前提，但应力和变形并不会反过来影响焊接热过程。首先完成温度场的运算，并将整个温度场的结果作为预定义场，顺次导入后续的应力场分析。由于焊接变形产生的热量可以忽略，因此通常宜采用顺次耦合方法进行焊接有限元分析。应力场分析边界条件处理需依据实际焊接工况下的约束施加边界条件。如果对整个结构建模，需对结构外部施加约束；如果只对结构中的一个部分建模，则通过结构的其余部分施加约束；如果建立对称模型，则必须在垂直于对称方向的对称面上施加力学约束；固态相变效应处理若材料在焊接过程中存在固态相变效应（如铁素体钢、马氏体钢等会出现固态相变现象，而奥氏体不锈钢不存在固