[發(fā)明專利]一種焊接數(shù)值模擬輔助實(shí)驗(yàn)測(cè)量殘余應(yīng)力的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510859573.4
• 申請(qǐng)日: 2015-11-30
• 公開（公告）號(hào): CN105486430A
• 公開（公告）日: 2016-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧德安;李索;張彥斌;葉延洪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/00
• 分類號(hào): G01L1/00
• 代理公司: 重慶華科專利事務(wù)所 50123
• 代理人: 康海燕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于殘余應(yīng)力測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種焊接數(shù)值模擬輔助實(shí)驗(yàn)測(cè)量殘余應(yīng) 力的方法。

背景技術(shù)

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(shí)驗(yàn)測(cè)量和理 論預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

在平板對(duì)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(huì)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(qiáng)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)200MPa/mm。在采用能量非常集中的 高能束焊接方法時(shí)，或者采用發(fā)生固態(tài)相變的焊接材料進(jìn)行焊接時(shí)，又或者對(duì)材料熱物理 性能和力學(xué)性能相差較大的異種鋼進(jìn)行焊接時(shí)，在焊接接頭處可能會(huì)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(shí)際關(guān)注的重點(diǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和計(jì)算焊接力學(xué)的日臻完善，數(shù)值模擬方法作為實(shí)驗(yàn) 測(cè)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(shí)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(jì)算結(jié)果，有效地解決工 程實(shí)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(chǎng)耦合，且具有多 重非線性特點(diǎn)，因此，數(shù)值模擬方法無法完全代替實(shí)驗(yàn)測(cè)量，目前仍需要采用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn) 證。

焊接殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(cè)方法不會(huì)對(duì)工件造成破壞，但設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜，而且只 能測(cè)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(cè)手段，具有理論完善、 技術(shù)成熟、測(cè)量精度較高等優(yōu)點(diǎn)。其中，盲孔法用于測(cè)量各向同性線彈性材料近表面的殘余 應(yīng)力，適用于測(cè)量金屬材料面內(nèi)應(yīng)力梯度較小的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)被測(cè)工件的破壞較小，能夠用 于測(cè)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(cè)量方法。

然而，用盲孔法測(cè)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(duì)于具有應(yīng)力梯度大的殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)的焊接工件，一般僅憑經(jīng)驗(yàn)很難 判斷峰值應(yīng)力所在位置，實(shí)驗(yàn)測(cè)量需要耗費(fèi)很多時(shí)間和測(cè)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(cè)量釋放的應(yīng)變量，再 根據(jù)彈性力學(xué)原理計(jì)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(cè)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(jìn)行測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

為了提高盲孔法的測(cè)量效率和保證測(cè)量結(jié)果的有效性，使測(cè)量結(jié)果真實(shí)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(shí)驗(yàn)測(cè)量殘余應(yīng)力的方法。

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(jì) 算方法進(jìn)行焊接過程數(shù)值模擬，獲得整個(gè)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(diǎn)的區(qū)域，如峰值區(qū)域、平緩 區(qū)域等，選擇打孔測(cè)量位置，并計(jì)算這些測(cè)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(cè)量位置，選擇尺寸較小（最好是孔心片 心距小于5mm）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(cè)量位置粘貼應(yīng)變花，用盲孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，比較模擬結(jié)果和測(cè)量 結(jié)果；

5、若模擬結(jié)果和測(cè)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(gè)位置，再次進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量加以驗(yàn)證，若兩次測(cè)量結(jié)果誤差較大（最好是大于50MPa）， 則重復(fù)該步驟；

6）重復(fù)步驟（4）直至完成所有選定測(cè)量位置的殘余應(yīng)力測(cè)量。

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(gè)寬度的1/4，深度方向網(wǎng) 格小于1/2，長(zhǎng)度方向的網(wǎng)格尺寸小于焊接速度的值。