T-CWAN 0063-2023 焊接数值模拟热弹塑性有限元方法

ICS25.160.01CCSJ33团体标准Numericalweldingsimulation-Thermalelastic-plasticfiniteelementmethod2023-12-27发布中国焊接协会发布T/CWAN0063—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求解器设置 78仿真结果评估 79仿真分析报告 8附录A（规范性）基于热弹塑性法焊接数值模拟流程图 9附录B（资料性）文档模板 10附录C（资料性）对接接头MAG焊接的变形模拟仿真报告 11T/CWAN0063—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、哈尔滨职业技术学院、河南科技大学、中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司、中信重工机械股份有限公司、青岛海尔空调器有限总公司、哈尔滨电机厂有限责任公司、上海航天精密机械研究所、上海工程技术大学、北京星航机电装备有限公司、南昌航空大学。本文件主要起草人：张立平、蹤雪梅、龙伟民、张贵芝、郝双双、魏世忠、孟政宇、滕彬、武汉琦、邹吉鹏、杨帆、宋玉军、徐殿鑫、彭赫力、彭根琛、秦建、纪昂、武鹏博、樊喜刚、张天理、郭鹏、张体明、于华、方乃文。T/CWAN0063—20231本文件规定了基于热弹塑性有限元方法的焊接数值模拟一般要求、仿真建模规则、求解器设置、仿真分析报告等内容。本文件适用于基于热弹塑性有限元方法的焊接结构件熔化焊焊接变形及焊接残余应力的焊接数值模拟。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/T3651GB/T4338GB/T4339金属高温导热系数测量方法金属材料高温拉伸试验方法金属材料热膨胀特征参数的测定GB/T22315金属材料弹性模量和泊松比试验方法GB/T25846工业用γ射线密度计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NB/SH/T0632比热容的测定差示扫描量热法T/CWAN0009焊接术语熔化焊ISO/TS18166焊接数值模拟执行和文档(Numericalweldingsimulation-Executionanddocumentation)3术语和定义GB/T31054、GB/T33582、T/CWAN0009和ISO/TS18166界定的以及下列术语和定义适用于本文件。热源模型heatsourcemodel熔化焊接热能特征及其与工件作用后在工件上分布的数学表示。3.2热弹塑性有限元方法thermalelastic-plasticfiniteelementmethodT/CWAN0063—20232一种焊接变形数值模拟方法，其原理是首先进行焊接热分析，得到焊接结构的瞬态温度场，并以此结果进行焊接应力和变形的计算。3.3双椭球热源模型doubleellipsoidalheatsourcemodel焊接热源在工件上呈前后两个半椭球分布的数学表示。3.4生死单元birth-deathelement一种模拟焊缝填充的方法，其原理是在焊道未填充之前，将代表焊道的单元材料性能乘以一个较小的比例系数，当焊道填充之后，单元材料属性恢复到真实值。4基本流程热弹塑性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规定选择单位制，质量单位选择吨，长度单位选择毫米，时间单位选择秒，温度单位选择摄氏度或开[尔文]，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——焊接结构件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，热结构耦合求解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。准确性是指应保留分析对象主要特征，以保证受力特性不变。经济性是指应用较小分析成本取得足够精度的计算结果。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；——应忽略对焊接变形影响较小且不重要的零件，如吊耳、安装板、固定板等；——应删除各个零件上的圆角、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；——在钝边不大于2mm或者要求单面焊双面成型的情况下，带钝边倒角应修改成尖角，如图1所T/CWAN0063—20233示；——将模型导入前处理软件中，应消除模型的自由边，并检查模型的干涉情况；——应修补模型的破面，合并距离很近的边及节点。图1钝边的简化6.2有限元网格划分6.2.1建立焊接仿真分析模型时宜选择三维六面体单元。6.2.2建立焊接仿真分析模型时宜选用低阶单元。6.2.3应对焊缝及热影响区的位置进行网格细化，网格尺寸控制在2mm～3mm，或者熔池截面上有3~4个网格，并采用如图2所示的1:3或1:2的网格过渡形式，降低远离焊缝位置的网格数量。6.2.4网格可按图3划分，分为热影响区Ⅰ、网格过渡区Ⅱ及母材区Ⅲ,其中热影响区的宽度a1取max(b，9mm)，网格可多次过渡。图2网格过渡形式图图3模型分块情况图6.2.5在厚度方向上应确保2层以上的实体单元网格。6.2.6对于低阶实体单元，焊缝位置处网格长宽比应不大于5。6.3材料模型建立6.3.1用于焊接仿真分析的材料热物理性能参数应包括热导率、比热容、密度、线膨胀系数、弹性模量、泊松比和屈服强度。泊松比为常数，屈服强度为温度及塑性应变的函数，其余的热物理性能参数T/CWAN0063—20234是关于温度的函数。6.3.2材料的屈服准则应选用Von-Mises屈服准则，材料进入塑性区后服从塑性流动准则和等向强化准6.3.3材料低温区间(0℃~600℃)的热物理性能参数按表1规定的方法和设备进行测量。材料高温区间(≥600℃)的热物理性能参数可通过数据外插拟合获得，也可通过具备材料性能计算功能的软件获得。6.3.4材料室温屈服强度≥890MPa的情况下，应考虑相变/热焓转变对焊接变形及残余应力的影响。表1材料热物理性能参数NB/SH/T0632N/m2N/m26.4热源参数定义6.4.1选择的热源模型应准确反映焊接过程中热流分布，根据焊接工艺参数确定热源模型能量的大小。6.4.2电弧焊宜选用双椭球体/双椭圆面热源模型，激光焊宜选用高斯旋转体热源/高斯面热源模型，激光-电弧复合焊宜选用高斯旋转体热源/高斯面热源与双椭球/双椭圆热源的叠加。6.4.3焊接仿真分析中应考虑焊接热源的移动及焊缝填充，生死单元的比例系数可选用1e-3～1e-5。6.4.4应采用试验与仿真对比的方法确定焊接热源的参数，包括以下两种方法。（a）通过对比热循环曲线确定焊接热源参数：1)设定焊接热源的参数，进行焊接热分析，提取距离焊趾5mm处的热循环曲线；2)在焊接试板上相同位置安装热电偶，见图4a），测试该位置的热循环曲线；3)将焊接仿真分析获得的热循环曲线与测量获得的热循环曲线进行对比，见图4b)，反复调整焊接热源参数，直至热循环曲线峰值误差在10%以内。T/CWAN0063—20235a)热电偶放置位置b)热循环曲线对比图图4热循环曲线法（b）通过对比焊缝形貌确定焊接热源参数：1)在焊接试板上截取试样，打磨、抛光、腐蚀，获得焊接接头的宏观金相；2)设定焊接热源的参数，双椭球热源前半轴长度宜设为熔深，后半轴长度宜设为2倍熔深，进行焊接热分析，提取焊接仿真分析的热源形貌；3)将焊接接头热源形貌与宏观金相进行对比分析，见图5，判断其吻合性，反复调整焊接热源参数，直至吻合良好，完成热源校核。图5焊接接头宏观金相对比图6.5计算条件设置6.5.1模型热边界条件设定模型热边界条件的设定应符合以下原则：——焊接仿真分析模型的热边界条件设定应符合实际工况，包括焊接热辐射边界条件、热对流边界条件；——根据焊接操作指导文件上的焊接方向、焊接顺序，及确定的焊接热源参数设定焊接热边界条件；——应选择所有表面作为热对流边界，与空气自然对流换热系数应设为5W/(m2•K)～25W/(m2•K)，也可根据牛顿定律测定对流换热系数。6.5.2模型结构边界条件设定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；——结构件无外加约束自由焊接时，应采用辅助约束方法施加约束，即选择距离焊缝较远且对变形影响小的3个节点，施加限制6个刚体自由度的辅助位移约束，见图6；T/CWAN0063—20236图6自由焊接时模型约束图——结构件在工装约束状态下焊接时，可采用刚体接触或者固定约束的方法模拟焊接工装的装夹，并在工装撤去后，释放接触/约束，并施加辅助约束；——可采用接触的方法考虑工艺拉筋对焊接变形的影响；——可采用节点强制位移或刚体接触方法考虑反变形对焊接变形的影响，并在冷却至室温后，释放接触/约束。6.5.3模型边界条件的有效简化如计算机算力不足或计算规模较大，应对焊接边界条件进行简化，简化方法如下：——焊道集中方法，对于多层多道焊，可将焊道合并，在等效热效应前提下，一次输入焊接能量，设定焊接热源，保证焊接区域内单位体积的能量相对于简化前不变；——分段移动热源方法，将一条焊道分为多段，每段采用热循环曲线或者带状热源进行加载；——热机解耦计算方法，将多步的热分析计算结果用于一步的焊接变形及应力计算分析。6.6有限元模型的检查6.6.1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、连接问题、折叠及畸变网格；——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2的规定；——优先保证焊接及热影响区位置的网格质量。表2单元质量检查控制参数40°~135°6.6.2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：——材料参数检查，根据焊接仿真分析模型设定的材料热物理性能参数，复核材料各个参数，检查T/CWAN0063—20237材料各热物理性能参数曲线平滑性，无突变点，单位应统一；——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；——热边界检查，依据模型在实际焊接过程中的焊接顺序及环境温度，检查模型施加的焊接边界条件、热对流边界条件，确保与实际约束相同。7求解器设置有限元分析应合理设置分析环境、时间参数、收敛准则、存储步数、需求分析结果，应符合以下要——焊接热力模拟可采用直接耦合，也可采用间接耦合。推荐计算效率高的间接耦合方式；——在满足收敛性、计算精度和计算机资源的条件下，设置合理的计算时间步长，在焊接阶段计算时间步长宜控制在0.1s～0.5s，或者保证60%焊接熔池重合。焊后冷却阶段，温度梯度较小，可采用相对较大的时间步长，宜控制在5s～10s；——板材厚度不大于5mm的结构件进行焊接仿真分析时，应采用大应变模型；——应采用集中质量热容矩阵克服瞬态温度场分析中的阶跃现象；——应采用并行计算的方式进行焊接仿真分析，每个CPU计算的网格数应控制在1.5万～3万；——应输出温度、应力和位移结果三种场变量。8仿真结果评估8.1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；——分析焊接变形及焊接残余应力的合理性。8.2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格式的文件；——采用最小二乘法进行两个文件拟合，比对模型的重合度。8.3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有限元模型，重新计算评估，保证变形结果偏差不大于20%。8.4仿真方案制定与实施基于8.1~8.3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。T/CWAN0063—202389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B，仿真实施过程可参见附录C示出的对接接头MAG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、材料模型、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/CWAN0063—20239（规范性）基于热弹塑性法焊接数值模拟流程图基于热弹塑性法焊接数值模拟基本流程如图A.1所示。图A.1基于热弹塑性法焊接数值模拟流程图T/CWAN0063—2023文档模板文档模板如表B.1所示。表B.1文档模板公司名称：部门：依据：焊接数值模拟-热弹塑性有限元方法编制：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/说明热源校核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、盲孔法残余应力测试其他：备注（可选）对接接头MAG焊接的变形模拟仿真实例对接接头MAG焊接变形模拟仿真报告如表C.1所示。表C.1对接接头MAG焊接的变形模拟仿真报告公司名称：XXXX部门：XXXX依据：焊接数值模拟热弹塑性有限元方法编制：XXXX版本：V1日期：JJJ-MM-TT封面简要说明仿真对象：Q345低合金钢对接接头的MAG脉冲电弧焊，板厚6mm，30°V型坡口。仿真目标：模拟Q345钢MAG焊接变形和残余应力。物理和数学模型：热-力间接耦合模型；热源模型—具有容积热源的热控制模型（Goldak）；材料塑性本构模型—具有与应变速率有关的各向同性硬化的弹塑性模型。求解方法和应用软件：热-机联合仿真，Sysweld结果和结论摘要：仿真模拟获得的温度场与试验确定的温度场一致，该温度场由热循环测试校核；模拟获得的横向、纵向残余应力与相应的X射线测量结果十分吻合；计算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/说明已校核[√]是[]否热源校核已检查[√]是[]否模型检查已验证[√]是[]否仿真结果与实验结果对比，热循环曲线对比、X射线残余应力测试。其他：备注（可选）T/CWAN0063—2023公司名称：XXXX部门：XXXX依据：焊接数值模拟热弹塑性有限元方法编制：XXXX版本：V1日期：JJJ-MM-TT第2页共7页C.1模拟对象工件尺寸：300mm×120mm×6mm母材：Q345低合金钢填充材料：G3Si1保护气体：M21保护气体流量：25L/min工艺：半自动化MAG焊接，135电源：逆变直流电焊机PHOENIX521（EWM）电弧类型：脉冲电弧平均功率：6783.34W焊接速度：9.167mm/s焊丝直径：1.2mm干伸长：13mm焊枪角度：0°焊缝开口角度：30°(2×15°)接头形式，拼焊位置：V型对接，0mm，150mm，300mm预热温度：20°C夹紧：静态确定单位为毫米标引序号说明：1——热电偶；2——陶瓷垫板；3——装配平台；4——拼焊点。图C.1工件示意图C.2模拟的目的考虑材料相变行为，构建焊接模拟模型，进行焊接变形和残余应力分析，并进行合理实验验证。公司名称：XXXX部门：XXXX依据：焊接数值模拟热弹塑性有限元方法编制：XXXX版本：V1日期：JJJ-MM-TTC.3物理模型做以下几点假设：——热-力间接耦合，“力”向“热”耦合效应较弱。在计算残余应力和变形时，忽略应变产生的热效应；忽略应力场对材料相转变或温度场的影响；——对于整个部件，可以假设材料特性是理想均匀的，各向同性的。材料模型包括具有各向同性硬化的弹塑性行为；——假设部件没有预应力存在；——根据焊缝几何形状生成三维模型，根据焊接要求划分网格；——忽略组件尺寸公差；——焊接模拟涉及的网格划分时应考虑在焊缝、热影响区及母材间的温度、应力、应变和微观组织结构几个方面的梯度差；——热源模型：通过使用体积能量密度分布来近似实际焊接热源；部件表面和外界环境热量交换对流换热；忽略夹紧和测量技术（热电偶，变形测量等）对热源模型的影响；——3D网格模型中填充焊缝单元，计算过程采用生死单元技术；——采用三点约束施加力学边界条件。C.4数学模型和求解方法C.4.1热源模型q式中：a1,a2,b,c——双椭球形体热源形状参数；Φ——有效功率；x——与热源中心x方向上的距离；y——与热源中心y方向上的距离；z——与热源中心z方向上的距离；f1，f2——前半部分、后半部分椭球的能量分配系数，f1+f2=2；q1，q2——前半部分、后半部分椭球的热流密度。公司名称：XXXX部门：XXXX依据：焊接数值模拟热弹塑性有限元方法编制：XXXX版本：V1日期：JJJ-MM-TT第4页共7页图C.2双椭球形体热源模型C.4.2材料塑性本构模型具有与应变速率有关的各向同性硬化的弹塑性模型。对于相变塑性，假设相变塑性应变εtp与现有应力σ相对于单轴应力状态之间是线性关系，因此以下适用：式中：K——转换塑性常数，单位MPa-1。C.5实施C.5.1模型网格划分和约束设置考虑到焊缝形状和部件几何形状，使用六面体单元进行3D网格划分。焊接方向上的单元长为1mm（见图C.3）。1-焊接方向。a焊缝金属单元大小：ex=1mm，ey=ez=0.5mm。图C.3试板网格和约束公司名称：XXXX部门：XXXX依据：焊接数值模拟热弹塑性有限元方法编制：XXXX版本：V1日期：JJJ-MM-TT表C.1给出了工况和时间步的设置。表C.1计算时间步长概述C.5.2热源描述热输入通过双椭球热源模型实现。焊接轨迹由作为焊接开始的点P1（0,60,0）和作为焊接结束的P2（300,60,0）限定。热源沿轨迹以vw=9.167mm/s的速度均匀地移动。根据输入的热源参数和焊缝横截面以及瞬态温度测量来调整热源模型。熔池的几何形状以及瞬态高温范围受热源的影响。双椭球热源的形状参数列于表C.2中。参数X0，Y0，Z0描述热源到假定的实际弧的基点的几何偏移，它沿P1和P2之间的焊接轨迹移动。前半部分椭球能量分配系数是后半部分椭球能量分配系数的1.2倍。表C.2双椭球热源参数的设置abx0y0z0MC5.3初始条件设置T=20℃,环境温度：Tu=20℃。根据Stefan-Boltzmann定律，热辐射的系数↋=0.8W/m2•K和25W/m2•K的恒定对流系数，假设通过热辐射和对流