[發(fā)明專利]一種預(yù)測(cè)TIG增材與軋制復(fù)合制造件殘余應(yīng)力及變形的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110256336.4
• 申請(qǐng)日: 2021-03-09
• 公開（公告）號(hào): CN112883518B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭龍龍;張勇;劉峰;趙海超;魏文瀾;賀雨田
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安石油大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/23;G06F111/04;G06F111/10;G06F113/10;G06F119/14
• 代理公司: 西安智大知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 王晶

1.一種預(yù)測(cè)TIG增材與軋制復(fù)合制造件殘余應(yīng)力及變形的方法，其特征在于，包括以下步驟；

步驟一：利用Creo軟件建立三維幾何模型；

(1)分別建立軋輥、基體、各熔覆層的三維幾何模型，每道熔覆層建立一個(gè)與之配合的軋輥，并將軋輥、基體、熔覆層組裝成裝配體；

(2)將裝配體輸出為.stp格式的文件，名稱為Assemble；

步驟二：利用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格；

(1)將.stp格式的文件導(dǎo)入到Hypermesh網(wǎng)格劃分軟件中，并對(duì)三維裝配體模型進(jìn)行幾何清理，刪除、合并裝配體模型中多余的點(diǎn)、線、面；

(2)將各熔覆層劃分為六面體網(wǎng)格，沿熔覆層長度方向的網(wǎng)格尺寸為1秒鐘所沉積熔覆層長度的1/3，對(duì)每道熔覆層的單元?jiǎng)?chuàng)建對(duì)應(yīng)的體網(wǎng)格集合，依次命名為：W₁、W₂、W₃、……，W_k，k為熔覆層的層數(shù)；

(3)以距熔覆層邊緣1.5倍的熔覆層寬度為界線，將基體沿長度、寬度方向切分為鄰近熔覆層區(qū)域、遠(yuǎn)離熔覆層區(qū)域兩部分，在鄰近熔覆層區(qū)域網(wǎng)格布置相對(duì)細(xì)密，在遠(yuǎn)離熔覆層區(qū)域網(wǎng)格布置稀疏，采用網(wǎng)格過渡的方式確保鄰近熔覆層區(qū)域、遠(yuǎn)離熔覆層區(qū)域的節(jié)點(diǎn)連續(xù)，將基體網(wǎng)格置于網(wǎng)格集合substrate內(nèi)；

(4)將各軋輥劃分為六面體網(wǎng)格，并將其依次置于網(wǎng)格集合Z₁、Z₂、Z₃、……，Z_k內(nèi)，k為熔覆層的層數(shù)；

(5)合并、刪除重復(fù)的節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)格，將基體、熔覆層的網(wǎng)格出為.inp文件，命名為T-assemble，將全部網(wǎng)格輸出為.inp文件，命名為S-assemble；

步驟三：基于Abaqus軟件建立溫度場(chǎng)有限元模型及求解；

(1)將T-assemble.inp文件導(dǎo)入Abaqus軟件，將生成的模型命名為Temp；

(2)定義玻爾茲曼常數(shù)、絕對(duì)零度、單元類型；

(3)定義基體、熔覆層隨溫度變化的熱物理性能參數(shù)；

(4)建立熱傳導(dǎo)分析步，其中第1個(gè)分析步為初始穩(wěn)態(tài)分析步，第2個(gè)分析步起是TIG熔覆分析步，每道熔覆層的分析步數(shù)N_k等于熔覆層的長度L_k除以熔覆層速度V_k，每道熔覆層的末尾分析步后創(chuàng)建軋輥運(yùn)動(dòng)分析步、冷卻分析步，總共建立分析步數(shù)量N＝1+2i+N₁+N₂+N₃+……+N_i；

(5)以1倍焊接速度的尺寸為長度，沿各熔覆層的長度方向依次創(chuàng)建單元集合，熔覆層W_k的單元集合依次命名為W-k_1、W-k_2……W-k_j，其中j為熔覆層W_k的第j個(gè)單元集合；

(6)第1個(gè)分析步中沉積層的單元均被殺死，第2k+N₁+N₂+……+N_k-1個(gè)分析步起逐次激活熔覆層N_k的單元集合，且每個(gè)分析步激活1個(gè)單元集合，軋輥運(yùn)動(dòng)分析步、冷卻分析步?jīng)]有單元生死變化；

(7)給所有網(wǎng)格設(shè)置初始溫度293K；

(8)給所有網(wǎng)格設(shè)置自定義體熱流密度，幅值為1；

(9)與空氣接觸的表面均設(shè)置為對(duì)流、輻射表面，對(duì)流系數(shù)15W/m²、輻射系數(shù)0.7、環(huán)境溫度293K；

(10)創(chuàng)建job文件、選擇熱流程序?qū)?yīng)的存儲(chǔ)路徑，提交job文件，求解獲得熔覆過程及冷卻結(jié)束后的溫度場(chǎng)；

步驟四：基于Abaqus軟件建立靜力分析有限元模型及求解；

(1)將S-assemble.inp文件導(dǎo)入Abaqus軟件，將生成的模型命名為Stress；

(2)定義熔覆層、基體的單元類型；

(3)定義熔覆層、臨近熔覆層區(qū)域、遠(yuǎn)離熔覆層區(qū)域的熱脹系數(shù)，對(duì)熔覆層、鄰近熔覆層區(qū)域賦予彈塑性性能參數(shù)，對(duì)遠(yuǎn)離熔覆層區(qū)域的材料僅賦予彈性性能參數(shù)，定義軋輥的彈性參數(shù)、密度；

(4)建立靜力場(chǎng)分析步，各靜力分析步對(duì)應(yīng)的時(shí)間與溫度場(chǎng)分析步相同，即：第1個(gè)分析步為初始穩(wěn)態(tài)步，第2個(gè)分析步起是TIG熔覆分析步，每道熔覆層的分析步數(shù)N_k等于熔覆層的長度L_k除以熔覆層速度V_k，每道熔覆層的末尾分析步后創(chuàng)建軋輥運(yùn)動(dòng)分析步、冷卻分析步，總共建立分析步數(shù)量N＝1+2i+N₁+N₂+N₃+……+N_i；

(5)以1秒鐘所沉積熔覆層的尺寸為長度，沿各熔覆層的長度方向依次創(chuàng)建單元集合，熔覆層W_k的單元集合依次命名為W-k_1、W-k_2……W-k_j，其中j為熔覆層W_k的第j個(gè)單元集合；

(6)第1個(gè)分析步中沉積層的單元均被殺死，第2k+N₁+N₂+……+N_k-1個(gè)分析步起逐次激活熔覆層N_k的單元集合，且每個(gè)分析步激活1個(gè)單元集合，軋輥運(yùn)動(dòng)分析步、冷卻分析步?jīng)]有單元生死變化；

(7)設(shè)置預(yù)定義溫度場(chǎng)，讀入溫度場(chǎng)計(jì)算所得的.odb結(jié)果文件，將溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果映射到應(yīng)力場(chǎng)，將其作為應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算的載荷；

(8)定義初始溫度，其值設(shè)置為環(huán)境溫度293K；

(9)分別以軋輥Z_k端面的圓心為基準(zhǔn)建立2個(gè)參考點(diǎn)，命名為A、B，并以A為坐標(biāo)原點(diǎn)、建立各坐標(biāo)軸與全局坐標(biāo)軸平行的局部坐標(biāo)C；

(10)將軋輥Z_k的全部單元與參考點(diǎn)A耦合，從而建立剛體約束；

(11)以參考點(diǎn)B為控制點(diǎn)，將參考點(diǎn)B與參考點(diǎn)A建立為運(yùn)動(dòng)耦合約束，并將兩參考點(diǎn)在X、Y、Z方向的平移運(yùn)動(dòng)耦合；

(12)第2k+N₁+N₂+……+N_k-1個(gè)分析步起，第k道熔覆層對(duì)應(yīng)的軋輥Z_k開始運(yùn)動(dòng)，在全局坐標(biāo)下設(shè)置參考點(diǎn)B在X、Y、Z方向的速度，確保第2k+N₁+N₂+……+N_k-1個(gè)分析步結(jié)束時(shí)，軋輥Z_k正開始軋壓熔覆層，修改第1+2k+N₁+N₂+……+N_k-1個(gè)分析步的速度，沿熔覆層的長度方向的速度設(shè)為V_k，沿熔覆層的寬度、厚度方向的速度設(shè)為0，自第2k+N₁+N₂+……+N_k分析步起此邊界條件不起作用；

(13)第2k+N₁+N₂+……+N_k-1個(gè)分析步起，在局部坐標(biāo)C下設(shè)置參考點(diǎn)A繞與軋輥Z_k軸線重合的坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)速度，自第2k+N₁+N₂+……+N_k分析步起此邊界條件不起作用；

(14)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)基體添加力學(xué)約束條件，避免基體發(fā)生剛體運(yùn)動(dòng)；

(15)創(chuàng)建靜力分析job，并提交進(jìn)行求解，獲得熔覆過程及冷卻結(jié)束后的殘余應(yīng)力及變形分布。