本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種熱物理、熱力學參量對焊接殘余應力及變形影響敏感度獲取方法。

背景技術(shù)：

通過查閱教科書或參考文獻得知，很多外在特征主要受材料單項性能變化的影響：低碳鋼焊件縱向焊接殘余應力峰值呈現(xiàn)單峰分布特征，而且單峰峰值接近材料屈服極限；鋁合金平板中縱向殘余應力峰值比其屈服極限低，呈現(xiàn)雙峰分布特征；鋁合金焊件縱向殘余應力峰值約為屈服極限的0.5～0.8倍的主要原因是鋁合金材料的熱導率高；線膨脹系數(shù)是影響鋁合金焊接橫向收縮的主要原因；焊縫和近縫區(qū)金屬在力學熔點及以下溫度冷卻收縮受阻是形成焊接殘余應力產(chǎn)生的根本原因。通過對碳鋼焊接殘余應力場進行測量，發(fā)現(xiàn)低碳鋼焊接件中縱向焊接殘余應力峰值與其屈服極限接近，而鋁、鈦合金等金屬縱向殘余應力峰值則低于屈服強度；通過切條釋放法和實驗室研制的超聲波測量系統(tǒng)對薄板鋁合金平板焊件中縱向殘余應力進行測量，以及參閱其它文獻，均證實在一般情況下鋁合金焊件縱向殘余應力峰值比其屈服極限低。

由于焊接熱過程的復雜性，不能通過簡單的數(shù)學計算和試驗測量來獲得殘余應力和變形的演變過程，更無法獲知各材料性能影響的程度。目前工程上焊接變形仿真已應用廣泛，但針對殘余應力分布等內(nèi)在關(guān)系的模擬仿真因其數(shù)學模型復雜、見效慢等問題仍未受到普遍重視。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明的目的是提供一種參量對焊接殘余應力及變形影響敏感度獲取方法，以解決針對殘余應力分布等內(nèi)在關(guān)系的模擬仿真因其數(shù)學模型復雜、見效慢等問題仍未受到普遍重視的問題。

(二)技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種參量對焊接殘余應力及變形影響敏感度獲取方法，其包括如下步驟：

步驟1：利用有限元法建立焊接接頭焊接過程的仿真模型；

步驟2：選定母材材料的多個性能參數(shù)，依次實驗獲取各個性能參數(shù)的參量；

步驟3：分別以各個性能參數(shù)的參量為基準，取該參量的設(shè)定差值范圍內(nèi)的多個不同參量數(shù)值依次輸入仿真模型，獲得該性能參數(shù)的參量變化對應的雙峰特性曲線；

步驟4：對比各個性能參數(shù)的參量變化對應的雙峰特性曲線，確定敏感度最高的性能參數(shù)；

步驟5：重新實驗獲取敏感度最高的性能參數(shù)的參量，以該性能參數(shù)的參量為基準，取該參量的設(shè)定差值范圍內(nèi)的多個不同參量數(shù)值依次輸入仿真模型，獲得該性能參數(shù)的參量變化對應的雙峰特性曲線，并替換上一次仿真獲取的雙峰特性曲線；

步驟6：對比各個性能參數(shù)的參量變化對應的雙峰特性曲線，確定敏感度最高的性能參數(shù)；

若步驟6中確定的敏感度最高的性能參數(shù)與上一次確定的敏感度最高的性能參數(shù)不相同，則繼續(xù)執(zhí)行步驟5和6；

步驟7：將步驟6中確定得到的敏感度最高的性能參數(shù)代入步驟1的仿真模型中，形成閉環(huán)分析

其中，步驟2中，母材材料的參量包括力學熔點、比熱容、熱導率、線膨脹量、彈性模量、泊松比和屈服強度中的多項或者全部。

其中，所述雙峰特性曲線包括x、y、z方向的焊接變形及縱向殘余應力分布曲線。

其中，步驟3中，縱向殘余應力包括縱向拉應力和縱向壓應力。

其中，步驟2中，所述母材材料為鋁合金。

其中，步驟5中，實驗時通過小孔法或x射線法實測焊接接頭的焊接殘余應力，通過卷尺或樣板實測其焊接變形。

其中，所述仿真模型包括：幾何形貌、焊接熱輸入、夾具約束中的一種或者多種數(shù)學物理模型。

(三)有益效果

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明提供的一種參量對焊接殘余應力及變形影響敏感度獲取方法，此方法基于wps(焊接工藝規(guī)范)獲取了各參量對焊接殘余應力及變形影響敏感度，根據(jù)各參量影響特點，進而可僅對影響較大的參量進行重點測試，修正測試大綱后實測材料性能，構(gòu)建核心焊接仿真數(shù)據(jù)庫和提高焊接仿真可靠性的同時，減少了測試試驗成本。

此方法打破了原有通過簡單的數(shù)學計算和試驗測量來獲得殘余應力和變形的演變過程，由原來的定性分析各參量影響變?yōu)槎糠治龈鲄⒘坑绊?，且通過實測和理論驗證，形成了有效的分析閉環(huán)，可靠性較高。

此方法充分考慮了各影響參量的完整性、可分析性和設(shè)置合理性，完善了數(shù)學模型的工程應用價值，有效地反映出焊接過程中應力應變的演變歷程和規(guī)律，更有效的利用數(shù)值模擬技術(shù)來解決焊接結(jié)構(gòu)應力及焊接變形問題。

此方法通過開源有限元法很容易實現(xiàn)，可在參數(shù)敏感性分析、仿真模型評定等場合加以推廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種參量對焊接殘余應力及變形影響敏感度獲取方法的獲取流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例各參量對鋁合金焊接殘余應力及變形影響敏感度的柱狀示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種熱物理、熱力學參量對焊接殘余應力及變形影響敏感度獲取方法，本發(fā)明的實施例中，以鋁合金作為母材材料，其包括如下步驟：

步驟1：利用有限元法基于wps(焊接工藝規(guī)范)的數(shù)據(jù)特征建立焊接接頭焊接過程的仿真模型，仿真模型具體可以包括幾何形貌、焊接熱輸入、夾具約束中的一種或者多種數(shù)學物理模型；

步驟2：選定母材材料的多個性能參數(shù)，依次實驗獲取各個性能參數(shù)的參量，理論假設(shè)母材材料的其他參量不變，母材材料的一個參量各單項性能由實測材料性能的設(shè)定差值范圍依次變化，其中，母材材料的參量包括力學熔點、比熱容、熱導率、線膨脹量、彈性模量、泊松比和屈服強度等，例如，可以先假設(shè)母材材料的比熱容、熱導率、線膨脹量、彈性模量、泊松比和屈服強度的各項性能不變，力學熔點由80％、90％、100％(實測材料性能)、110％、120％依次變化，其他參量以此類推；

步驟3：分別以各個性能參數(shù)的參量為基準，取該參量的設(shè)定差值范圍內(nèi)的多個不同參量數(shù)值依次輸入仿真模型，獲得該性能參數(shù)的參量變化對應的雙峰特性曲線，雙峰特性曲線包括x(橫向)、y(縱向)、z(垂向)方向的焊接變形及縱向殘余應力分布曲線，其中，縱向殘余應力具體包括縱向拉應力和縱向壓應力；

步驟4：對比各個性能參數(shù)的參量變化對應的雙峰特性曲線，確定敏感度最高的性能參數(shù)即雙峰特性變化曲線變化度最快對應的性能參數(shù)，例如，如圖2所示，柱形圖中依次示出了右側(cè)各參量對鋁合金焊接變形、縱向殘余應力分布雙峰特征的影響程度，鋁合金縱向殘余拉應力影響較大的性能由大到小依次有：力學熔點(24.29％)、線膨脹系數(shù)(10.84％)，對鋁合金縱向殘余壓應力影響較大的性能由大到小依次有：泊松比(90.90％)，彈性模量(50.54％)、線膨脹系數(shù)(47.85％)和力學熔點(38.76％)，使鋁合金焊接縱向殘余應力雙峰效應增強的性能由大到小依次有：力學熔點、熱導率和泊松比；

步驟5：重新實驗獲取敏感度最高的性能參數(shù)的參量，以該性能參數(shù)的參量為基準，取該參量的設(shè)定差值范圍內(nèi)的多個不同參量數(shù)值依次輸入仿真模型，獲得該性能參數(shù)的參量變化對應的雙峰特性曲線，并替換上一次仿真獲取的雙峰特性曲線，實驗時通過小孔法、x射線法等實測焊接結(jié)構(gòu)殘余應力，通過卷尺、樣板等實測其焊接變形，進行實測驗證；

步驟6：對比各個性能參數(shù)的參量變化對應的雙峰特性曲線，確定敏感度最高的性能參數(shù)，修正材料熱物理及熱力學性能測試大綱，對影響較大的參量重點進行檢測，并得到更飽滿的數(shù)據(jù)；

若步驟6中確定的敏感度最高的性能參數(shù)與上一次確定的敏感度最高的性能參數(shù)不相同，則繼續(xù)執(zhí)行步驟5和6；

步驟7：將步驟6中確定得到的敏感度最高的性能參數(shù)代入步驟1的仿真模型中，形成閉環(huán)分析。

當經(jīng)過多個閉環(huán)分析后，得到穩(wěn)健的規(guī)律性結(jié)論，最終得出可靠的影響規(guī)律，確定出各參量對焊接殘余應力及變形影響敏感度。

由以上實施例可以看出，本發(fā)明采用數(shù)值模擬技術(shù)和實驗測量相結(jié)合，分析典型焊接接頭焊接殘余應力和變形，針對焊接殘余應力分布內(nèi)在關(guān)聯(lián)性問題，利用有限元法建立焊接接頭的數(shù)學物理模型，采用熱彈塑性法進行焊接仿真分析，保證接頭結(jié)構(gòu)參數(shù)和焊接參數(shù)一致的情況下，當假設(shè)母材材料的其他參量不變，材料性能在實測材料性能前后小范圍變化時，分別輸出縱向殘余應力分布特征，即可總結(jié)材料性能的影響規(guī)律。

建立精確的材料模型是數(shù)值模擬精確建模工作的重要組成部分。本方法預利用鋁合金熱物理和熱力學性能參數(shù)的實測和理論假設(shè)，通過計算機仿真獲知其影響焊接殘余應力和變形的共性規(guī)律，并實測殘余應力及變形、經(jīng)驗公式和理論分析同步驗證仿真結(jié)果的準確性，經(jīng)反復的循環(huán)分析后，得到穩(wěn)健的分析結(jié)論:熱物理性能中的比熱容對焊接變形影響較大，熱力學性能中的力學熔點、線膨脹系數(shù)和泊松比對焊接殘余應力影響較大。進而僅對影響較大的參量進行重點測試，構(gòu)建核心焊接仿真數(shù)據(jù)庫，從而提高焊接仿真可靠性，減少測試試驗成本。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。