T-CWAN 0100-2023 焊接数值模拟固有应变法

ICS25.160.01CCSJ33团体标准Numericalweldingsimulationinherentstrainmethod2023-12-27发布中国焊接协会发布T/CWAN0100—2023 II 12规范性引用文件 3术语和定义 4基本流程 25一般要求 26焊接仿真分析模型建立规则 27仿真结果评估 68仿真分析报告 7附录A（规范性）基于固有应变法焊接数值模拟流程图 8附录B（资料性）固有应变的提取及数据修正 9附录C（资料性）文档模板 16附录D（资料性）对接接头MIG焊接的变形模拟仿真报告 T/CWAN0100—2023本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国焊接协会提出并归口。本文件起草单位：江苏徐工工程机械研究院有限公司、郑州机械研究所有限公司、河南科技大学、哈尔滨职业技术学院、哈尔滨工业大学、中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司、北京星航机电装备有限公司、哈尔滨电机厂有限责任公司、中信重工机械股份有限公司、青岛海尔空调器有限总公司、中船黄埔文冲船舶有限公司、上海航天精密机械研究所。本文件主要起草人：彭根琛、陆智俊、龙伟民、杨帆、张立平、魏世忠、张浩、冯吉才、张贵芝、黄瑞生、樊喜刚、纪昂、武汉琦、孟政宇、钟素娟、武鹏博、宋玉军、徐殿鑫、彭赫力、王耀、于华、方乃文、郭鹏。T/CWAN0100—20231本文件规定了焊接数值模拟流程、一般要求、仿真建模规则、接头固有变形的计算、仿真结果评估、仿真分析报告构成等内容与规范。本文件适用于基于固有应变法的工程机械焊接结构件熔化焊（气保焊、激光焊等）的焊接变形预测。2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用于本文件；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/T31054机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语GB/T33582机械产品结构有限元力学分析通用规则ISO/TS18166焊接数值模拟执行和文档(Numericalweldingsimulation—Executionanddocumentation)ISO/TR25901（所有部分）焊接及相关工艺词汇（Weldingandalliedprocesses—Vocabulary）T/CWAN0063—2023焊接数值模拟热弹塑性有限元方法3术语和定义GB/T31054、GB/T33582、ISO/TR25901、ISO/TS18166和T/CWAN0063—2023界定的以及下列术语和定义适用于本文件。固有应变inherentstrain经历焊接热循环后，焊缝及其附近产生的永久应变。3.2固有变形inherentdeformation固有应变在焊缝横截面上的积分结果。3.3固有应变法inherentstrainmethod一种焊接变形数值模拟方法，其原理是将焊缝及其附近的固有应变作为初始值进行一次弹性分析，从而得到焊接结构的整体变形。T/CWAN0100—202324基本流程固有应变法焊接数值模拟的基本流程主要包括有限元模型建立、模型求解、结果评估、仿真方案制定实施及报告编写，具体参见附录A。5一般要求有限元模型分析前应符合下述要求：——应按照GB/T33582附录B规定选择SI单位制，质量单位选择吨，长度单位选择毫米，应力单位选择兆帕，时间单位选择秒，密度单位选择吨/立方毫米，力的单位选择牛，模型材料属性单位应与几何模型单位一致；——应选笛卡尔直角坐标系，当边界条件中有力或者约束与全局坐标系不一致时，可增加局部坐标——焊接CAD模型应结构完整，装配关系清晰明了；——焊接仿真宜选用具备三维建模、网格划分等前处理，结构分析及可视化后处理功能的一个或多个软件进行。6焊接仿真分析模型建立规则6.1几何模型建立及简化6.1.1几何模型简化应符合准确性和经济性两个原则。6.1.2焊接仿真分析的几何模型简化原则：——应对模型进行干涉检查，避免模型中存在干涉；——应删除对焊接变形影响较小且不重要的零部件，如螺丝、油缸、吊耳、安装板、固定板等。其中，螺丝、安装板或固定板等连接件，移除后会影响结构件局部的自由度，应当在焊接约束设置中考虑限制相应位置的位移和转动，施加完全固定/铰链/悬臂梁等约束形式；——应删除各个零件上的圆角、切角、退刀槽、凸台、无焊缝填充的倒角等细节特征；——应删除各零件上孔径与结构件尺寸比值小于1%的孔及安装孔；——应简化不规则的截面形状。6.2有限元网格划分6.2.1采用固有应变法进行焊接数值模拟的网格模型，可使用壳单元网格划分或实体单元网格划分。对于板厚与长/宽的比值小于1:10的结构件，宜采用实体单元网格划分；反之，宜采用壳单元网格划分。6.2.2基于壳单元的网格划分应遵守以下原则：——应对模型进行干涉检查，避免模型中存在干涉；——将模型导入前处理软件中，对几何模型抽取中面；——应调整需要对齐的平面，并去除中面上的圆倒角、切角等细节特征；——应去除中面间隙，使各中面相交；T/CWAN0100—20233——应修补模型的破面，合并距离很近的边及节点；——应去除模型中存在的自由边；——应将对接接头、角接接头各组件中面的交线作为焊缝，如图1和图2所示；——应在搭接接头两组件中面之间建立一个面P，并将该面作为搭接接头P1组件中面的一部分，P1组件与P2组件的交线为搭接接头的焊缝，如图3所示；——应在端接接头两组件中面之间建立一个面，并将该面平均分为A，B两个面，分别赋给P1，P2两个组件的中面，两组件中面的交线为端接接头的焊缝，如图4所示；——建立焊接仿真分析模型时，宜使用四边形低阶单元；——应在焊缝位置划分足够多的网格来准确预测变形，小型结构焊缝长度方向宜不少于8个单元，大型结构宜不少于6个单元，超大型结构宜不少于4个单元。3——几何模型中的组件P2；图1对接接头的简化T/CWAN0100—202343——几何模型中的组件P2；图2角接接头的简化3——几何模型中的组件P2；图3搭接接头的简化a）几何模型3——几何模型中的组件P2；图4端接接头的简化T/CWAN0100—202356.2.3基于实体单元的网格划分宜符合T/CWAN0063—2023的规定。6.3焊接接头固有变形计算利用固有应变法计算结构焊接变形，应先根据结构特征提取其接头形式，再根据接头形式的不同分别提取固有变形（包括纵向固有收缩、横向固有收缩、横向固有弯曲和纵向固有弯曲），最后在软件中输入固有变形值进行变形计算。焊接接头固有变形可采用实验方法、热弹塑性法和经验公式法进行计算，计算步骤见附录B，主要包括以下内容：a）附录B.1给出了采用实验方法提取固有变形的步骤；b）附录B.2给出了采用热弹塑性法提取固有变形的步骤；c）附录B.3给出了采用经验公式计算固有变形的步骤。6.4计算条件设置6.4.1力学边界条件的施加模型结构边界条件的设定应符合以下原则：——焊接仿真分析模型的结构边界条件设定应符合实际工况；——当在自由状态下进行焊接变形计算时，应限制仿真模型的6个自由度，以防止工件发生刚体位移和转动，宜使用如图5所示的约束方式；——当在装夹条件下进行焊接变形计算时，应在夹具作用位置施加位移约束，限制仿真模型的6个自由度，以防止工件发生不符合夹具限制的位移和转动，宜使用如图6所示的约束方式。图5限制刚体位移的约束方式图6限制装夹条件下刚体位移的约束方式6.4.2固有变形的施加6.4.2.1基于壳单元模型的固有变形的施加应符合以下原则：T/CWAN0100—20236——单元法向应保持一致；——固有变形的施加位置应符合6.2.2中规定的焊缝位置。6.4.2.2基于实体单元模型的固有应变的施加应符合以下原则：——宜施加到焊缝热影响区；——宜通过修改材料热膨胀系数的方法施加固有应变，应保证固有应变的方向与坐标系的方向一致，针对异形焊缝，应通过对焊缝进行分段，并建立局部坐标系的方式保证固有应变与坐标系方向的一致性。——实体单元固有应变可根据给定单位温度荷载、热膨胀系数的数值求得，利用软件提供的各向异性的热膨胀系数和单位温度荷载来实现固有应变的施加；6.5有限元模型的检查6.5.1网格模型的检查网格划分完成后，应对网格进行检查，检查内容及要求如下：——模型中不应有重复、折叠、畸变和连接问题的网格；——网格检查的主要参数包括单元的法向、长宽比、雅克比、内角、翘曲度、偏斜度，单元质量控制参数应符合表1的规定；——应优先保证焊缝位置的网格质量；——应检查相连组件间是否存在未耦合的节点，并进行节点耦合操作。表1单元质量检查控制参数——40°~135°20°~120°40°~135°20°~120°20°~120°6.5.2模型设定的检查模型设定完成后，应对模型进行检查，检查内容及要求如下：——组件属性检查，应对模型中的各个组件进行排序，并分别赋予属性特征，确保组件顺序与属性顺序一一对应；——力学边界检查，依据模型在实际焊接过程中的约束状态，检查模型的约束。7仿真结果评估T/CWAN0100—202377.1表象评估结果表象评估，具体方法如下：——检查模型的奇异比；——检查模型的收敛性；——分析焊接变形的合理性。7.2变形趋势评估通过三维扫描的形式确定物理样件的变形趋势，具体方法如下：——采用三维扫描仪对焊接后的物理样件进行整体扫描；——将有限元分析的网格模型导出为stl文件；——采用最小二乘法进行两个文件拟合，比对模型的重合度。7.3关键位置数据评估进行物理样件试验，对比关键位置的有限元结果和试验结果，以试验结果为依据修正固有变形参数，重新计算评估，保证变形结果偏差不大于10%：——对于对接接头，关键位置可设置为焊缝上表面中心线上的等间距点；——对于角接头，关键位置可设置为角焊缝中心线、角焊缝焊趾线上的等间距点；——对于搭接接头，关键位置可设置为焊缝上下表面中心线上的等间距点；——对于端接接头，关键设置可设置为左右两条焊缝，内外表面中心线上的等间距点。7.4仿真方案制定与实施基于7.1~7.3评估得到的合理有限元模型，可制定考虑焊接顺序、焊接工装夹具、焊前反变形等工艺的仿真方案，并进行仿真实施与验证，获得符合目标值要求的焊接变形控制方案。8仿真分析报告根据具体的分析对象、分析目的等编写分析报告，模板见附录C，仿真实施过程可参见附录D示出的对接接头MIG焊接的变形模拟仿真实例，报告至少包括但不限于以下内容：——仿真对象，详细描述组件或者结构、焊接工艺和参数；——仿真目标，介绍分析问题背景，说明采取的分析手段、阐述预期结果细节；——物理模型，描述需要模拟的物理过程，给定的边界条件及简化假设；——分析过程，描述几何模型的简化、网格划分、材料属性、边界条件、求解参数及求解方式；——结果分析，应给出关键位置的焊接变形值及典型的图标结果，如变形、应力/应变云图。图表应简明易懂且不应有无关的信息；——模型校核，应给出保证模拟结果正确的措施，主要有模型核查、与物理样件对比验证。T/CWAN0100—20238（规范性）基于固有应变法焊接数值模拟流程图基于固有应变法焊接数值模拟基本流程如图A.1所示。图A.1基于固有应变法焊接数值模拟流程图T/CWAN0100—20239（资料性）固有应变的提取及数据修正B.1实验方法B.1.1利用实验方法提取对接接头固有变形的主要步骤如下：——根据图B.1及表B.1所示的细节参数截取两块板材，并根据板材厚度填充表B.1第一行数据；——拼装两块平板并点焊固定，使用冲头和锤子在平板上下表面进行标记，位置如图B.1中的黑点所示；——宜采用三坐标仪测量标记点位置坐标，计算表B.1第二行相关数据并填充；——测量后在自由状态下焊接平板；——焊后测量接头相关尺寸，填充表B.1第三行数据；——将相关数据带入公式（B.1）～（B.3）计算接头纵向固有收缩、横向固有收缩和横向固有弯曲，其中ΔL或Δb为负值时表示收缩；——一般情况下纵向固有弯曲(θx*）取值0rad。注3：L、b为参考点位置，其中L参考点仅在下表面标记，b参考点在上、下表面均标记。图B.1对接焊接头的实验测量T/CWAN0100—2023表B.1对接接头固有变形提取中的相关尺寸单位为mmLBbtbbb=00）；θy1——接头左侧横向固有弯曲，单位为弧）；θy2——接头右侧横向固有弯曲，单位为弧）；B.1.2对于由一块平板和腹板组成的T形接头（如图B.2所示可用类似于对接接头的方式来测量接头的固有变形。当难以准确量取平板上表面b参考点间距时，可只在平板背面做好标记测量距离变化。平板和腹板的固有变形（纵向固有收缩、横向固有收缩、横向固有弯曲）应分别根据公式（B.4B.6）和公式（B.7）～（B.9）计算，通常认为平板和腹板的纵向固有弯曲(θx*）为0rad。图B.2T形接头的实验测量T/CWAN0100—2023）；B.2热弹塑性有限元法B.2.1测量法利用测量法从热弹塑性有限元计算结果中提取固有变形的主要步骤如下：——利用热弹塑性有限元法计算简单焊接接头变形；——参考B.1中提及的方法标记有限元模型中的参考点，并测量相关数据；——根据公式（B.1）～（B.3）计算对接接头固有变形，根据公式（B.4）～（B.9）计算T形接头固有变形，依然认为纵向固有弯曲为0rad。B.2.2积分法利用积分法从热弹塑性有限元计算结果中提取固有变形的主要步骤如下：——利用热弹塑性有限元法计算简单焊接接头变形；——从计算结果中提取焊缝截面上沿厚度方向（Z向）分布的三个塑性应变分量，即x方向上的塑性线应变εpx、y方向上的塑性线应变εpy和X-Y方向上的塑性切应变εxy，示例如图B.3所示；——根据塑性应变分布图，利用公式（B.10B.13）计算接头固有变形：⃞;=[Jspydydz]/t…………（B.11）图B.3塑性应变分量εpx，εpy,εpxy在焊缝横截面上的分布图B.3经验公式方法T/CWAN0100—2023B.3.1基于壳单元的经验公式法B.3.1.1对接接头固有变形计算经验公式如下：h=(t+t)/2…………（B.15））；I——焊接电流，单位为安培（A）；）；t1——对接接头其中一板板厚，单位为毫米（t2——对接接头另一板板厚，单位为毫米（E——弹性模量，单位为兆帕斯卡（MPa）；）；）；B.3.1.2角接接头固有变形计算经验公式如下：h=(t+2t2)/3…………（B.23）Qp——角接接头底板有效热输入，单位为焦每）；Qw——角接接头腹板有效热输入，单位为焦每）；F——室温时引起工件纵向焊接变形的纵向收缩力，单位为牛顿（N）;）；）；）；B.3.2基于实体单元的经验公式法基于实体单元的固有应变计算经验公式如下：）；I——焊接电流，单位为安培（A）；）；F——焊缝横截面积，单位为平方毫米（mm2εx——纵向固有应变；εy——横向固有应变；K——纵向固有应变系数，单位为立方毫米每焦（mm3/J）；ξ——横向固有应变系数，单位为立方毫米每焦（mm3/J）；B.4对接接头固有变形修正T/CWAN0100—2023B.4.1实验方法和热弹塑性有限元法提取固有变形数据时，应按照图B.4标识选点测量，按照公式（B.39）~（B.48)计算四个固有变形参数（纵向固有收缩，横向固有收缩，纵向固有弯曲，横向固有弯曲），记为（a0，b0，c0，d0）。选择的测量点应遵守以下原则：——对于横向收缩和横向弯曲，选择中间横截面上的点；——对于纵向收缩，选择位于边缘和焊缝之间的点；——对于纵向弯曲，选择靠近焊缝的点；——当采用热弹塑性有限元法计算固有变形时，焊缝两侧对称位置节点位移应相同，不同时应取平均值。图B.4对接接头实验测量或FEM取点示意图B.4.2纵向固有收缩a0可以通过焊缝长度方向的平均收缩评价,较大的纵向弯曲使两个测量点之间的直线距离比实际收缩短，故应使用曲线距离：LC1=2[sin-1(4dz1/L)](L引dz/8)……（B.40） dz=(2uzz-uzz-uz,)/2……（B.41）dz,=(2uzg-uzz-uz12)/2……（B.L=x,-x……………（B.44）LC——两个测量点间的曲线距离，单位为毫米（mmB——对接接头宽度,单位为毫米（mmdz——两个测量点间的曲线对应弦长，单位为B.4.3横向固有收缩b0，可用三个垂直于焊缝方向的截面上的平均收缩率近似表示：b,=(y-y2)-(yz-y,)+[(yg-y5)-(yog-y5)+[(y2-y)-(yoB.4.4纵向固有弯曲c0，可用焊缝处或焊缝附近两条纵线处的平均弯曲曲率表示：T/CWAN0100—2023B.4.5横向固有弯曲d0，可用焊缝处或焊缝附近两条纵线处的弯曲角表示,弯曲角单位应为弧度（rad（B.48）B.4.6当仿真结果与实际变形差距较大时，应对接头固有变形参数进行修正，具体步骤如下：——提取焊接试板上各标记点的实际焊接变形(Ux0(Pi)，Uy0(Pi)，Uz0(Pi))，然后按照B.4.2～B.4.5计算初始固有变形参数(a0，b0，c0，d0)；——将初始固有变形参数(a0，b0，c0，d0)输入JWRIAN软件中进行焊接变形预测，提取预测结果中各标记点变形(Ux1(Pi)，Uy1(Pi)，Uz1(Pi))，然后按照B.4.2～B.4.5计算固有变形参数(a1，b1，c1，d1)，并通过公式ratio_a1=a1/a0，ratio_b1=b1/b0，ratio_c1=c1/c0，ratio_d1=d1/d0评估准确性，如果这些比值接近1.0，说明初始固有变形参数(a0，b0，c0，d0)较为准确，可将该参数作为实际接头的固有变形，否则，计算误差ERa1=a1-a0，ERb1=b1-b0，ERc1=c1-c0，ERd1=d1-d0；——如果误差大于预期，则按照公式a1=a0/ratio_a1，b1=b0/ratio_b1，c1=c0/ratio_c1，d1=d0/ratio_d1更新固有变形参数(a1，b1，c1，d1)，在JWRIAN中输入更新后的(a1，b1，c1，d1)，再次计算焊接ERc2=c2-c0，ERd2=d2-d0，如果误差足够小，则将(a1，b1，c1，d1)作为实际接头的固有变形；——如果误差大于预期，可基于(a1，b1，c1，d1)和(a2，b2，c2，d2)进行线性估计，得出固有变形参数(a3，b3，c3，d3)，如图B.5所示，然后将(a3，b3，c3，d3)输入JWRIAN中重新计算焊接变形，并计算其误差，如果误差足够小，则将其作为实际接头固有变形。图B.5固有变形参数线性估计T/CWAN0100—2023文档模板表C.1给出了仿真报告文档模板。表C.1文档模板公司名称：XXXX部门：XXXX依据：焊接数值模拟-固有应变法编制：XXXX版本：V1日期：JJJ-MM-TT第X页共X页封面简要说明仿真对象仿真目标物理和数学模型求解方法和应用软件结果和结论摘要确保模拟结果质量采取的措施摘要措施备注/说明模型检查仿真结果与实验结果对比，例如:激光三维扫描变形测量其他：备注（可选）（资料性）对接接头MIG焊接的变形模拟仿真报告表D.1给出了对接接头MIG焊接的变形模拟仿真报告。表D.1对接接头MIG焊接的变形模拟仿真报告公司名称：XXXX部门：XXXX依据：焊接数值模拟固有应变法编制：XXXX版本：V1日期：JJJ-MM-TT封面简要说明仿真对象：201不锈钢对接接头的MIG脉冲电弧焊，板厚4mm，间隙为2.0mm的I型坡口。仿真目标：模拟201不锈钢MIG焊接变形和残余应力。物理和数学模型：/求解方法和应用软件：固有应变法焊接变形仿真，Jwrian结果和结论摘要：计算出的变形与光学变形测量变形趋势一致，数值相近。确保模拟结果质量采取的措施摘要措施备注/说明已检查[√]是[]否模型检查已验证[√]是[]否仿真结果与实验结果对比，激光三维扫描变形测量。其他：备注（可选）T/CWAN0100—2023公司名称：XXXX部门：XXXX依据：焊接数值模拟固有应变法编制：XXXX版本：V1日期：JJJ-MM-TT第2页共4页D.1模拟对象工件尺寸:400mm×300mm×4mm母材:201不锈钢填充材料:S308L保护气体:I1保护气体流量:20l/min工艺半自动化MIG焊接，131电源:松下YW-50DNW电弧类型:脉冲电弧平均功率:3840W焊接速度