一種基于數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化鋼管焊接參數(shù)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化鋼管焊接參數(shù)方法，包括：確定鋼管焊接各項(xiàng)條件；建立有限元模型，采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐秩S有限元模型網(wǎng)格；根據(jù)實(shí)際焊接參數(shù)對(duì)熱源進(jìn)行校核；通過(guò)數(shù)值模擬軟件Sysweld進(jìn)行仿真；焊接仿真后分析焊縫的殘余應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布；根據(jù)均勻試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，使試驗(yàn)點(diǎn)在試驗(yàn)范圍內(nèi)充分地均勻分散，確定最簡(jiǎn)化試驗(yàn)方案；在Sysweld仿真中模擬不同參數(shù)下的焊接過(guò)程，利用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到最優(yōu)的工藝條件。利用數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)分析的技術(shù)，避免了大量試驗(yàn)工件的浪費(fèi)，減少了參數(shù)優(yōu)化的工作量，提高了優(yōu)化效率，通過(guò)本方法確定的參數(shù)結(jié)果準(zhǔn)確度高，本方法具備較大的可行性。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種基于數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化鋼管焊接參數(shù)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化鋼管焊接參數(shù)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 焊接參數(shù)對(duì)鋼管焊接尤為重要，直接決定焊接質(zhì)量，因此在焊接前需要對(duì)焊接參 數(shù)進(jìn)行優(yōu)選。目前，優(yōu)化鋼管焊接參數(shù)方法是通過(guò)進(jìn)行大量的工件試驗(yàn)，對(duì)單一參數(shù)在以往 經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的調(diào)整，直到篩選出較為合適的參數(shù)為止，試驗(yàn)過(guò)程需要消耗大量 的工件，試驗(yàn)成本較高，工作量也較大，同時(shí)也無(wú)法確定各參數(shù)之間的交互影響，影響整體 焊接質(zhì)量。
[0003] 有鑒于此，需要發(fā)明一種成本低廉、操作簡(jiǎn)單、高效全面的基于數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分 析的優(yōu)化鋼管焊接參數(shù)方法，代替以往以物理試件測(cè)試為主的優(yōu)化方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種操作簡(jiǎn)單、成本低廉、高效全面 的基于數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化鋼管焊接參數(shù)方法。
[0005] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：
[0006] -種基于數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化鋼管焊接參數(shù)方法，其關(guān)鍵技術(shù)在于，其包 括如下步驟：
[0007] 步驟一、確定鋼管焊接條件，包括:環(huán)境溫度，焊接工藝，鋼管壁厚，坡口形式，鋼管 直徑和鋼管材質(zhì)等；
[0008] 步驟二、根據(jù)實(shí)際焊件的結(jié)構(gòu)尺寸在Visual-Environment中建立有限元模型，并 采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐秩S有限元模型網(wǎng)格；
[0009] 步驟三、根據(jù)實(shí)際中的焊接工藝與焊接對(duì)象對(duì)熱源進(jìn)行校核；
[0010] 步驟四、通過(guò)軟件Sysweld進(jìn)行焊接仿真；
[0011]步驟五、焊接模擬后先與實(shí)際的試件進(jìn)行比對(duì)確保模擬的準(zhǔn)確性，再分析焊縫的 殘余應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布；
[0012] 步驟六、根據(jù)均勻試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，選擇影響焊接結(jié)果的若干主要因素，并確定它 們的變化范圍，選擇均勻設(shè)計(jì)表及表頭設(shè)計(jì)，最后確定最簡(jiǎn)化試驗(yàn)方案；
[0013] 步驟七、在Sysweld仿真中模擬不同試驗(yàn)參數(shù)下的焊接過(guò)程，記錄不同實(shí)驗(yàn)條件下 焊縫中Mises殘余應(yīng)力的最大值與冷卻后熱影響區(qū)的顯微組織組成；
[0014] 步驟八、利用MATLAB對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終得到最優(yōu)的工藝條件。
[0015] 進(jìn)一步的，還包括步驟九、應(yīng)用于實(shí)物焊接試件，驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所取得的有益效果如下：
[0017] 本發(fā)明提出的焊接工藝參數(shù)優(yōu)化方法通過(guò)利用數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的技 術(shù)，避免了大量試驗(yàn)工件的浪費(fèi)，減少了焊接參數(shù)優(yōu)化的工作量，降低了試驗(yàn)成本，通過(guò)本 方法篩選確定的參數(shù)結(jié)果準(zhǔn)確度高，本方法具備較大的可行性，易于大規(guī)模推廣。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 附圖1為實(shí)施例1焊接接頭的示意圖；
[0019] 附圖2為實(shí)施例1建立的有限元模型；
[0020] 附圖3為實(shí)施例1 60S、70s、140s以及焊后去掉裝夾時(shí)刻的等效應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果 (Von Mises應(yīng)力結(jié)果）；
[0021 ]附圖4為實(shí)施例1焊完之后的殘余應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果圖；
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)的敘述。
[0023] 實(shí)施例1
[0024]步驟一：記錄P91高溫主蒸汽管道的焊接條件：規(guī)格為333mm X 30mm，管道直徑為 333mm，管壁厚為SOmnuPgi鋼是中合金耐熱鋼，具有良好的抗氧化性，較好的耐高溫強(qiáng)度和 耐硫化氫腐蝕性以及具有較好的冷變形性能。由于其良好的綜合性能，在火電站建設(shè)中得 到了廣泛的應(yīng)用，其使用溫度在500 °C~600 °C左右。該鋼種已列入ASEM和JIS標(biāo)準(zhǔn)中。
[0025] P91鋼焊接分析：鋼的焊接與鋼材的化學(xué)成分、鋼的常溫力學(xué)性能及物理特性有 關(guān)。通過(guò)表1和表2可以更加清楚P91的特性。
[0026] 表1 P91鋼的化學(xué)成分(Wt%)
[0027]
[0028] 表2 P91鋼的常溫力學(xué)性能
[0029]
[0030] 步驟二:根據(jù)實(shí)際焊件的結(jié)構(gòu)尺寸在Visual-Environment中建立有限元模型，并 采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐秩S有限元模型網(wǎng)格；
[0031] 步驟三:根據(jù)實(shí)際中的焊接工藝與焊接對(duì)象對(duì)熱源進(jìn)行校核
[0032] 焊接工藝如下：焊絲為ER90S-B9，焊絲直徑2.5mm，焊條為E9015-B9，焊條直徑 3.2mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表3。
[0033] 表3焊絲ER90S-B9、焊條E9015-B9的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)）
[0034]
[0035]整個(gè)焊接過(guò)程分14道完成。焊接過(guò)程中層間溫度控制在200~300°C，焊接接頭如 圖1所示，焊接工藝參數(shù)如表4:
[0036] 表4焊接工藝參數(shù)
[0037]
[0038] 本實(shí)驗(yàn)中熱源模型選取的是雙橢球熱源模型，并將之用以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)值的模擬計(jì) 算。
[0039] 步驟四、通過(guò)軟件Sysweld進(jìn)行焊接仿真；
[0040]焊接仿真是基于專(zhuān)用焊接數(shù)值模擬軟件Sysweld完成，對(duì)所給管焊接模型在給定 焊接參數(shù)下進(jìn)行焊接過(guò)程仿真，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行焊接溫度場(chǎng)、變形和應(yīng)力場(chǎng)分析，計(jì)算網(wǎng)格 模型如圖2所示，根據(jù)熱影響區(qū)和遠(yuǎn)離熱影響區(qū)的溫度梯度不同，在近焊縫區(qū)網(wǎng)格數(shù)量畫(huà)的 密一些，在遠(yuǎn)離焊縫區(qū)網(wǎng)格數(shù)量畫(huà)的稀疏一些。
[0041]步驟五、焊接模擬后先與實(shí)際的試件進(jìn)行比對(duì)確保模擬的準(zhǔn)確性，再分析焊縫的 殘余應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布；
[0042]首先在仿真模擬焊接后和試件實(shí)際焊接過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，確保模擬的準(zhǔn) 確性，本實(shí)驗(yàn)中熱源模型選取的是雙橢球熱源模型，并將之用以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)值的模擬計(jì)算，其 數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：
[0043]前半橢球熱流分布：
[0044]
[0045] 后半橢球熱流分布：
[0046]
[0047] 式中：q-熱通量，J/m2s;
[0048] X，y，z-相對(duì)于熱源中心的坐標(biāo)；；
[0049] Q1，Q2-熱源前半球和后半球的能量密度，J/m3;
[0050] al，a2，b，c一與熔池相關(guān)的參數(shù)。
[00511 rl、r2為模型前后部分能量系數(shù)且rl+r2 = 2。
[0052]通過(guò)對(duì)雙橢球熱源模型系統(tǒng)分析可知，最關(guān)鍵的工作在于明確兩大類(lèi)參數(shù)，第一 類(lèi)被稱(chēng)之為形狀參數(shù)，包括al，a2，b，c等，這類(lèi)參數(shù)在熔池凝固后通過(guò)測(cè)量焊縫的寬度(b)、 深度(c)、熔池末端弧坑的形狀參數(shù)(al，a2)來(lái)確定。第二類(lèi)被稱(chēng)之為無(wú)法測(cè)量的參數(shù)，主要 是Q1與Q2這兩個(gè)用來(lái)表征能量密度的參數(shù)。在既知形狀參數(shù)的條件下，將Q1視作變量X，同 時(shí)將Q1、Q2之比視作常量y，接下來(lái)利用上述公式對(duì)熱源加熱區(qū)一系列關(guān)鍵點(diǎn)的熱通量q值 予以準(zhǔn)確計(jì)算，對(duì)這些值做累加處理，并與試驗(yàn)操作期間所選擇的線(xiàn)能量予以對(duì)比，計(jì)算出 變量X的大小，接下來(lái)進(jìn)入到再次計(jì)算環(huán)節(jié)，經(jīng)由數(shù)值計(jì)算得到的熔池形狀和通過(guò)試驗(yàn)得到 的具體結(jié)果放在一起進(jìn)行比較。若屬于不吻合情形，則要基于常量y的大小予以必要調(diào)整， 然后再進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，直至滿(mǎn)足兩者相符的條件為止，當(dāng)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)入到一種基本合適的 狀態(tài)后，接下來(lái)應(yīng)對(duì)焊接熱循環(huán)展開(kāi)反復(fù)多次的核對(duì)，同時(shí)對(duì)一系列參數(shù)做必要調(diào)整。
[0053] 將校正后熱源模型所形成的熔池與實(shí)際焊接過(guò)程中熔池形狀對(duì)比，若校得的每一 層的熱源熔池形狀與實(shí)際焊接所形成的熔池基本吻合，則用該組熱源模型可以很好的對(duì)管 道焊接過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得到準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)和應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果。
[0054] 試驗(yàn)中的評(píng)定指標(biāo)為Von Mises殘余應(yīng)力的最大值。Von Mises是一種屈服準(zhǔn)則， 屈服準(zhǔn)則的值我們通常叫等效應(yīng)力，它遵循材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論。Von Mises應(yīng)力是從形 狀改變比能的角度來(lái)衡量，即認(rèn)為當(dāng)材料的形狀改變比能達(dá)到某一值時(shí)，材料屈服。應(yīng)力求 解完畢以后，可以通過(guò)后處理模塊讀取每個(gè)時(shí)間載荷步的結(jié)果，可以得到每個(gè)載荷步的應(yīng) 力分布情況，圖3分別為60s、70s、140s以及焊后去掉裝夾等時(shí)刻的等效應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果 (Von Mises應(yīng)力結(jié)果）。這組圖顯示了焊接過(guò)程中不同加熱時(shí)刻和冷卻時(shí)刻的等效應(yīng)力的 動(dòng)態(tài)變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的增加，焊接殘余應(yīng)力首先出現(xiàn)在近焊縫區(qū)，殘余應(yīng)力沿 著焊縫方向呈對(duì)稱(chēng)分布，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)在焊縫區(qū)金屬熔化，因此開(kāi)始時(shí)焊縫區(qū)的殘余應(yīng)力 為0,近焊縫區(qū)金屬收到熱膨脹，表現(xiàn)出較大的殘余應(yīng)力。離焊縫較遠(yuǎn)處溫度較低，產(chǎn)生的殘 余應(yīng)力相對(duì)較小，在裝夾的位置由于焊接熱變形收到限制，裝夾位置出現(xiàn)局部殘余應(yīng)力，焊 接完成后冷卻到室溫，焊接殘余應(yīng)力主要集中在焊縫區(qū)、近焊縫區(qū)和裝置位置，最大殘余應(yīng) 力為700 · 2MPa，呈對(duì)稱(chēng)分布。
[0055] 步驟六、根據(jù)均勻試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，選擇影響焊接結(jié)果的若干主要因素，并確定它 們的變化范圍，選擇均勻設(shè)計(jì)表及表頭設(shè)計(jì)，最后確定最簡(jiǎn)化試驗(yàn)方案。
[0056] 本實(shí)施例中，以SMAW焊接為研究對(duì)象。由于焊接電流、電弧電壓、焊接速度和坡口 間隙對(duì)焊接過(guò)程的熱輸入有著重要的影響，因此對(duì)焊接殘余應(yīng)力也會(huì)有很大的影響，故選 用這四個(gè)因素作為研究對(duì)象。根據(jù)均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選用U 1Q(108)表設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，共需要10 次數(shù)值模擬試驗(yàn)。均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平如表5所示。
[0057]表5均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平
[0058]
[0059] 步驟七、在Sysweld仿真中模擬表5中10組不同試驗(yàn)參數(shù)下的焊接過(guò)程，記錄不同 實(shí)驗(yàn)條件下焊縫中Mises殘余應(yīng)力的最大值與冷卻后熱影響區(qū)的顯微組織組成。
[0060] 步驟八、利用MATLAB對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終得到最優(yōu)的工藝條件。
[0061] 根據(jù)十組試驗(yàn)得到的Mises殘余應(yīng)力的最大值，并通過(guò)MATLAB的數(shù)據(jù)分析得出最 優(yōu)參數(shù)為各因素的分別為焊接速度v = 148mm/min，電弧電壓U = 20V，焊接電流I = 140A，坡 口間隙L = 4mm。
[0062]為了對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)最優(yōu)焊接工藝進(jìn)行了焊接殘余應(yīng)力分析。焊接工藝 條件為焊接速度v = 148mm/min,電弧電壓U = 20V,焊接電流I = 140A,坡口間隙L = 4mm。計(jì)算 結(jié)果如圖4所示。其中〇y代表高溫管道軸向焊接殘余應(yīng)力，ox代表高溫管道環(huán)向焊接殘余應(yīng) 力，單位為MPa。由最優(yōu)組合焊接工藝殘余應(yīng)力分析結(jié)果看出，評(píng)定指標(biāo)Mises殘余應(yīng)力的最 大值為515. IMPa，明顯的小于分析表中十組試驗(yàn)所測(cè)得的應(yīng)力值。
[0063]步驟九、應(yīng)用于實(shí)物焊接試件，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，實(shí)際試件Mises殘余應(yīng)力的最大值為 509.6MPa表明本試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法所得到優(yōu)化焊接工藝結(jié)果是正確和有效的。
[0064]以上所述實(shí)施方式僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，而并非本發(fā)明可行實(shí)施的窮舉。對(duì) 于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明原理和精神的前提下對(duì)其所作出的任何顯而 易見(jiàn)的改動(dòng)，都應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化鋼管焊接參數(shù)方法，其特征在于，其包括如下 步驟： 步驟一、確定鋼管焊接條件，包括:環(huán)境溫度，焊接工藝，鋼管壁厚，坡口形式，鋼管直徑 和鋼管材質(zhì)等； 步驟二、根據(jù)實(shí)際焊件的結(jié)構(gòu)尺寸在Visual-Environment中建立有限元模型，并采用 八節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐秩S有限元模型網(wǎng)格； 步驟三、根據(jù)實(shí)際中的焊接工藝與焊接對(duì)象對(duì)熱源進(jìn)行校核； 步驟四、通過(guò)軟件Sysweld進(jìn)行焊接仿真； 步驟五、焊接模擬后先與實(shí)際的試件進(jìn)行比對(duì)確保模擬的準(zhǔn)確性，再分析焊縫的殘余 應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布； 步驟六、根據(jù)均勻試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理，選擇影響焊接結(jié)果的若干主要因素，并確定它們的 變化范圍，選擇均勻設(shè)計(jì)表及表頭設(shè)計(jì)，最后確定最簡(jiǎn)化試驗(yàn)方案； 步驟七、在Sysweld仿真中模擬不同試驗(yàn)參數(shù)下的焊接過(guò)程，記錄不同實(shí)驗(yàn)條件下焊縫 中Mises殘余應(yīng)力的最大值與冷卻后熱影響區(qū)的顯微組織組成； 步驟八、利用MATLAB對(duì)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終得到最優(yōu)的工藝條件。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析的優(yōu)化鋼管焊接參數(shù)方法，其 特征在于，還包括步驟九應(yīng)用于實(shí)物焊接試件，驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105975708SQ201610321963
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】繆澤宇, 孔凡玉, 尹香琴
【申請(qǐng)人】中國(guó)計(jì)量大學(xué)