[發明專利]一種焊接接頭力學性能及斷裂失效仿真建模方法

在審

• 申請號: 202010311832.0
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111523183A
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 徐從昌;李落星;何洪
• 申請（專利權）人: 湖南大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/23
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 馬強;曾利平

本發明公開了一種焊接接頭力學性能及斷裂失效仿真建模方法，所述方法在有限元建模前，先根據焊接過程中不同區域的溫度變化情況，將焊接樣板進行切片，再測試得到每個拉伸試樣的材料本構參數，在有限元建模時將每個拉伸試樣的材料本構參數應用于每個微區，使不同微區具有不同的力學性能參數，實現了焊接接頭微觀區域力學性能地精確描述，大大提高了建模精度和建模的準確性，避免了整個焊接接頭采用同一材料本構參數導致的模型不精確的問題。

技術領域

本發明屬于金屬材料連接性能分析技術領域，尤其涉及一種金屬材料焊接接頭力學性能及斷裂失效仿真建模方法。

背景技術

焊接是一種非常有效的連接工藝，可以使得待連接材料之間形成永久性連接，一般是在加熱或加壓、或者同時加熱和加壓的條件下形成焊接接頭。但是材料焊接后，接頭各部位的性能不均勻，可能存在主要原因如下：1)填充的焊絲材料成分和性能等與相連接材料不一致；2)焊接的熱影響區受到不同程度的加熱作用，進行了不同程度的熱處理，會導致焊接后的微觀組織發生變化且不均勻；3)異種材料的焊接，焊縫兩側的原始材料成分和結構存在差異。因此，對焊接接頭的力學性能，特別是各微觀區域的性能進行精細的描述是非常重要的。

例如，已廣泛應用于汽車、軌道交通、船舶、航空航天等交通工具的鋁合金構件。相較于鋼材焊接，鋁合金熱容系數高、導熱系數大、線膨脹系數大，相同焊接速度下，焊接鋁合金的熱輸入量是焊接鋼材時的2-4倍。焊接過程中熱量的不斷輸入，會導致焊接接頭局部發生微觀組織演變而引起強度軟化。然而鋁合金焊接結構件是車身中的關鍵零部件，大多都起著承載的作用，焊接軟化使得強度降低會導致其在事故中發生斷裂失效。因此準確預測焊接接頭失效位置和接頭的力學性能特性，對結構設計中的焊縫布置和服役安全性評價意義重大。

有限元建模分析法是描述金屬材料在受外力作用下的變形行為和斷裂行為非常重要的計算機輔助方式。對于均勻的塊體材料，計算機仿真建模分析步驟如下：1)將理想材料進行拉伸實驗，獲得其應力—應變曲線，求解曲線上的屈服強度、抗拉強度、伸長率、應變硬化指數、應變軟化指數等參數，用以作為材料的力學本構方程；2)將塊體材料視為完全均勻，再通過有限元法進行網格劃分，將均勻塊體劃分為有限個獨立的單元；3)將第1步所獲得的材料參數輸入到第2步所建立的模型中的有限單元中；4)設置模型所受到的工況參數，包括受力大小、受力位置、方向、分布規律等，建立受力計算模型；5)采用特定迭代算法，設定計算步長，以特定的變形模式使得各個有限單元變形并疊加，設定相應的收斂值，采用迭代計算使得各個有限單元之間的變形實現協調一致，并達到設定的收斂值；6)計算結束，輸出個有限單元的變形、應力等云圖，對零件的受力情況進行分析。上述過程中，步驟1)為材料參數的獲取過程；步驟2)和3)為有限元建模過程；步驟4)和5)為計算過程；步驟6)為分析過程。對于任何一個有限元力學仿真分析案例來說，材料性能的獲取和建模過程是重中之重，模型的精細程度和材料特性的準確性，決定了最終的計算結果的準確性。

對于焊接結構(焊接接頭)來說，常規的有限元建模分析方法并不適用，主要的原因在于焊接接頭不是均勻材料，其焊接接頭的兩側及其焊縫區域的力學性能不均勻、各臨近微區(微觀區域)的材料參數不一致。因此，需要建立更精細的模型進行仿真分析，應盡量將結構劃分為力學性能趨于均勻的細小的單元或者層，獲得這些更小單元的材料參數，并重新建立更加精細的有限元模型，隨后在進行仿真計算和結果分析。

然而，目前尚未有成熟的焊接接頭有限元建模方法，目前行業中應用的方法比較粗獷，過程如下：將焊接接頭取出，制取拉伸試樣進行拉伸實驗測試，獲得焊接接頭整體的力學性能數據和斷裂位置，獲得接頭拉伸的本構方程，將斷裂位置(通常也是力學性能最差的位置)的應力-應變曲線等所包含的參數作為整個接頭的材料參數，以常規的均勻材料有限元模型進行計算。如此做法所獲得的仿真分析結果精度低，特別是整個接頭的變形量差異較大；另外，上述方法不能真實的描述接頭上各點(區域)的真實受力和變形情況，不利于做出清晰準確的仿真預測。

發明內容