一種焊接數(shù)值模擬輔助實驗測量殘余應(yīng)力的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于殘余應(yīng)力測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種焊接數(shù)值模擬輔助實驗測量殘余應(yīng)力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]焊接是現(xiàn)代制造業(yè)中最為重要的材料成形和加工技術(shù)之一。在焊接結(jié)構(gòu)的制造過程中，局部不均勻的熱輸入導(dǎo)致焊接應(yīng)力的產(chǎn)生，冷卻后保留在焊件內(nèi)部的應(yīng)力即為焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是影響構(gòu)件承載能力和服役壽命的主要因素之一，實驗測量和理論預(yù)測焊接殘余應(yīng)力具有重要的理論意義和工程價值。
[0003]在平板對接焊中，焊縫及熱影響區(qū)的金屬在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后通常會形成拉伸的縱向殘余應(yīng)力，峰值應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強度，而母材的縱向殘余應(yīng)力值較小，因而形成局部區(qū)域應(yīng)力梯度較大的殘余應(yīng)力分布，應(yīng)力梯度可達(dá)200 MPa/mm。在采用能量非常集中的高能束焊接方法時，或者采用發(fā)生固態(tài)相變的焊接材料進行焊接時，又或者對材料熱物理性能和力學(xué)性能相差較大的異種鋼進行焊接時，在焊接接頭處可能會產(chǎn)生應(yīng)力梯度更大的殘余應(yīng)力分布。這種應(yīng)力梯度較大區(qū)域的殘余應(yīng)力分布和焊接接頭峰值應(yīng)力的大小與位置一直是工程實際關(guān)注的重點。
[0004]隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和計算焊接力學(xué)的日臻完善，數(shù)值模擬方法作為實驗測量的輔助手段，逐漸應(yīng)用于焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力的分析中。諸多實例證明，如果建立具有一定精度的材料模型，采用數(shù)值模擬方法可以獲得具有較高精度的計算結(jié)果，有效地解決工程實際問題。但是，由于焊接過程十分復(fù)雜，涉及到溫度、組織和應(yīng)力等多場耦合，且具有多重非線性特點，因此，數(shù)值模擬方法無法完全代替實驗測量，目前仍需要采用實驗進行驗證。
[0005]焊接殘余應(yīng)力的實驗檢測主要有盲孔法、輪廓法、X射線衍射法、中子衍射法等。X射線衍射法、中子衍射法等檢測方法不會對工件造成破壞，但設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜，而且只能測量被焊工件表面淺層殘余應(yīng)力。盲孔法、輪廓法屬于破壞性檢測手段，具有理論完善、技術(shù)成熟、測量精度較高等優(yōu)點。其中，盲孔法用于測量各向同性線彈性材料近表面的殘余應(yīng)力，適用于測量金屬材料面內(nèi)應(yīng)力梯度較小的應(yīng)力狀態(tài)，對被測工件的破壞較小，能夠用于測量表面應(yīng)力分布復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，目前已成為工程上最常用的殘余應(yīng)力測量方法。
[0006]然而，用盲孔法測量應(yīng)力梯度大的殘余應(yīng)力分布，具有效率低、準(zhǔn)確性差、成本高等不足。一方面，對于具有應(yīng)力梯度大的殘余應(yīng)力分布特點的焊接工件，一般僅憑經(jīng)驗很難判斷峰值應(yīng)力所在位置，實驗測量需要耗費很多時間和測量耗材。另一方面，由于盲孔法是通過鉆孔移除材料釋放殘余應(yīng)力，并由事先貼在小孔周圍的應(yīng)變花測量釋放的應(yīng)變量，再根據(jù)彈性力學(xué)原理計算出殘余應(yīng)力，從本質(zhì)而言，盲孔法得到是所鉆孔洞邊界內(nèi)局部殘余應(yīng)力的平均值，理論上應(yīng)變花尺寸越小越能準(zhǔn)確測出鉆孔位置的殘余應(yīng)力值。因此，需要借助焊接數(shù)值模擬手段判斷峰值應(yīng)力區(qū)域，并且在應(yīng)力梯度大的區(qū)域，需要使用孔心片心距更小的應(yīng)變花進行測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了提高盲孔法的測量效率和保證測量結(jié)果的有效性，使測量結(jié)果真實反映焊接工件殘余應(yīng)力分布特征，并得到峰值應(yīng)力的位置和大小，本發(fā)明提出一種焊接數(shù)值模擬輔助實驗測量殘余應(yīng)力的方法。
[0008]本方法的主要步驟如下:
1、根據(jù)被焊工件材料、尺寸和焊接參數(shù)，建立3D有限元模型，利用熱-彈-塑性有限元計算方法進行焊接過程數(shù)值模擬，獲得整個工件的殘余應(yīng)力分布；
2、分析殘余應(yīng)力分布特征，在能充分反映殘余應(yīng)力分布特點的區(qū)域，如峰值區(qū)域、平緩區(qū)域等，選擇打孔測量位置，并計算這些測量位置的應(yīng)力梯度；
3、在應(yīng)力梯度大(最好是大于100MPa/mm)的測量位置，選擇尺寸較小(最好是孔心片心距小于5 mm)的應(yīng)變花，其他區(qū)域的應(yīng)變花尺寸沒有特殊要求；
4、在選中的測量位置粘貼應(yīng)變花，用盲孔法進行殘余應(yīng)力測量，比較模擬結(jié)果和測量結(jié)果；
5、若模擬結(jié)果和測量結(jié)果相差較大(最好是超過100MPa)，則沿焊縫方向重新選擇一個位置，再次進行殘余應(yīng)力測量加以驗證，若兩次測量結(jié)果誤差較大(最好是大于50 MPa),則重復(fù)該步驟；
6)重復(fù)步驟(4)直至完成所有選定測量位置的殘余應(yīng)力測量。
[0009]優(yōu)選地，在步驟1)中，焊縫區(qū)寬度方向網(wǎng)格尺寸小于整個寬度的1/4，深度方向網(wǎng)格小于1/2，長度方向的網(wǎng)格尺寸小于焊接速度的值。
[0010]優(yōu)選地，在步驟1)中，對于中、高碳鋼焊接工件的數(shù)值模擬，應(yīng)采用考慮冶金因素的熱-彈-力學(xué)有限元計算方法，提高計算精度；
優(yōu)選地，在步驟2)中，在焊接過程穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)選擇測量位置；
優(yōu)選地，在步驟2)中，選擇打孔測量位置的間距不小于25 mm；
優(yōu)選地，在步驟4)中，按GB/T 31310-2014或ASTM E837_13a標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行盲孔法測量；優(yōu)選地，在步驟5)中，在重新選取測量位置時，兩個測量位置的殘余應(yīng)力模擬值相差小于5%，且兩點連線的應(yīng)力變化小于5 MPa/mm；
進一步，在步驟6)中，測量結(jié)束后，由于沿焊縫方向應(yīng)力梯度較小，可以沿焊縫方向?qū)⒏鳒y量點的測量結(jié)果投影到一條垂直于焊縫的直線上；
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
在進行殘余應(yīng)力測量之前，先通過數(shù)值模擬手段預(yù)測被焊工件中殘余應(yīng)力的分布特點，再根據(jù)計算結(jié)果指導(dǎo)測量位置的選取，并針對不同的應(yīng)力分布特點采取對應(yīng)的測量策略，使得殘余應(yīng)力的測量能夠有的放矢，提高測量效率，保障測量結(jié)果的有效性和準(zhǔn)確性。
【附圖說明】
[0011]圖1焊接數(shù)值模擬輔助實驗測量殘余應(yīng)力方法的流程圖；
圖2有限元模型；
圖3試件的縱向殘余應(yīng)力分布云圖；
圖4盲孔法打孔測量位置分布示意圖； 圖5實際測量位置分布圖；
圖6數(shù)值模擬結(jié)果與測量結(jié)果對比圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡釋本發(fā)明。應(yīng)理解這些實例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0013]圖1展示了一種焊接數(shù)值模擬輔助焊接殘余應(yīng)力測量方法的流程圖。流程具體如下:
首先根據(jù)工件材料、尺寸和焊接參數(shù)建立有限元模型，并采用熱-彈-塑性有限元方法進行焊接過程數(shù)值模擬，得到殘余應(yīng)力模擬結(jié)果。然后根據(jù)殘余應(yīng)力分布特點，選擇盲孔法打孔測量位置和應(yīng)變花尺寸。在選定的測量位置粘貼應(yīng)變花后，進行殘余應(yīng)力測量。在完成選定測量位置的殘余應(yīng)力測量后，對比模擬結(jié)果與測量結(jié)果，若模擬結(jié)果與測量結(jié)果相差大于lOOMPa，應(yīng)沿焊縫方向重新選擇一個位置，再次進行殘余應(yīng)力測量加以驗證，若兩次測量結(jié)果誤差大于50MPa，且模擬結(jié)果與第二