CN106326574B - 一种计及焊接变形和残余应力的极限强度数值计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计及焊接变形和残余应力的极限强度数值计算方法，它涉及薄壁结构极限强度计算的数值模拟方法技术领域；它的模拟方法为：通过材料力学性能试验，确定薄壁结构材料参数；查询结构的焊接工艺参数，编写焊接子程序；建立温度‑位移耦合分析模型，进行焊接模拟分析，得到焊接变形和残余应力；在温度‑位移耦合分析模型基础上定义重启动分析，进行特征屈曲模态分析；建立静态弧长法分析模型，将包含焊接变形在内的低阶特征屈曲模态变形以及焊接残余应力引入到弧长法分析模型中进行结构极限强度计算。它能够既高效又准确的计算出计及焊接变形和残余应力的薄壁结构的极限强度，对科学研究和工程设计都有重大意义。

Description

一种计及焊接变形和残余应力的极限强度数值计算方法
技术领域
本发明涉及一种计及焊接变形和残余应力的极限强度数值计算方法，具体的是一种基于ABAQUS的将焊接变形和残余应力引入薄壁结构极限强度计算的数值模拟方法。
背景技术
薄壁结构在某些载荷下会发生失稳现象，如受均匀外压的耐压球壳，受面内轴向压缩载荷作用的加筋板结构等。在用数值模拟方法分析薄壁结构的稳定性时，需要考虑结构中的初始变形和残余应力，目前，结构的初始变形主要通过两种方法引入：一是利用测量设备测出结构中的实际变形，然后将测量所得变形施加到有限元模型节点上；二是通过特征屈曲模态分析，将低阶屈曲模态按指定的变形幅值引入到非线性屈曲分析模型中。第一种方法真实的反映了结构的实际变形，但是过程过于复杂，并且极易出错，第二种方法过程相对简单，但是所引入的变形并不是结构的真实变形，因此无法准确计算结构真实的屈曲和极限强度。残余应力的引入一般都是将理想化的残余应力分布形式或经验计算公式直接施加到需要计算的有限元模型中，虽然计算方便，但却无法真实反映结构中实际存在的残余应力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种能够真实考虑焊接变形和残余应力的极限强度数值计算方法。
为了解决背景技术所存在的问题，本发明的计及焊接变形和残余应力的极限强度数值计算方法，它的模拟方法为：
A、通过材料力学性能试验，确定薄壁结构材料参数；
B、查询结构的焊接工艺参数，编写焊接子程序；
C、建立温度-位移耦合分析模型，进行焊接模拟分析，得到焊接变形和残余应力；
D、在温度-位移耦合分析模型基础上定义重启动分析，进行特征屈曲模态分析；
E、建立静态弧长法分析模型，将包含焊接变形在内的低阶特征屈曲模态变形以及焊接残余应力引入到弧长法分析模型中，进行结构极限强度计算。。
本发明有益效果为：它能够既高效又准确的计算出计及焊接变形和残余应力的薄壁结构的极限强度，对科学研究和工程设计都有重大意义。
附图说明
图1为本发明基于ABAQUS的有限元模拟方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
例如，对内径1.0m，壁厚30mm的钛合金TC4耐压球壳在均匀外压作用下的极限强度进行计算分析，该球壳为两个相同的半球焊接而成，利用本发明进行计及焊接变形和残余应力的极限强度数值计算，它的计算步骤为：
A、通过材料力学性能试验，确定薄壁结构材料参数。
①弹性模量：110GPa；泊松比：0.3；屈服强度：860MPa；
B、查询结构的焊接工艺参数，编写焊接子程序。
①焊接过程采用移动热源法，编制用于ABAQUS计算的FORTRAN子程序，热源移动速度为10mm/s；
C、建立温度-位移耦合分析模型，进行焊接模拟分析，得到焊接变形和残余应力。
①建立耐压球壳的三维实体模型，赋予材料和截面属性，划分网格，设置边界条件及预定义温度场；
②设置两个温度-位移耦合分析步：STEP-1为焊接过程，STEP-2为冷却过程，并设置这两个分析步的重启动请求；
③设置球壳与环境的相互作用为：表面热交换和表面辐射；设置热学载荷为：体热通量；
④将FORTRAN子程序文件添加到JOB模块中然后提交运算；
D、在温度-位移耦合分析模型基础上定义重启动分析，进行特征屈曲模态分析。
①复制温度-位移耦合模型并编辑模型的重启动属性；
②在STEP-2之后增加线性摄动屈曲分析步STEP-3，求取前5阶特征屈曲模态；
③编辑关键字使之能够输出结果文件.fil文件；
④提交运算；
E、建立静态弧长法分析模型，将包含焊接变形在内的低阶特征屈曲模态变形以及焊接残余应力引入到弧长法分析模型中，进行结构极限强度计算。
①建立耐压球壳的三维实体模型，赋予材料和截面属性，划分网格，设置边界条件；
②创建预定义应力场，将步骤C中得到的.odb文件添加到预定义场中，引入焊接残余应力；
③编辑关键字*Imperfection，将步骤D中得到的包含焊接变形的特征屈曲模态变形引入到极限强度计算中；
④将FORTRAN子程序文件添加到JOB模块中然后提交运算；
⑤进行后处理，得到极限强度值。
本发明有益效果为：它能够既高效又准确的计算出计及焊接变形和残余应力的薄壁结构的极限强度，对科学研究和工程设计都有重大意义。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种计及焊接变形和残余应力的极限强度数值计算方法，其特征在于按照以下步骤进行：
A、通过材料力学性能试验，确定薄壁结构材料参数；
①弹性模量：110GPa；泊松比：0.3；屈服强度：860MPa；
B、查询结构的焊接工艺参数，编写焊接子程序；
①焊接过程采用移动热源法，编制用于ABAQUS计算的FORTRAN子程序，热源移动速度为10mm/s；
C、建立温度-位移耦合分析模型，进行焊接模拟分析，得到焊接变形和残余应力；
①建立耐压球壳的三维实体模型，赋予材料和截面属性，划分网格，设置边界条件及预定义温度场；
②设置两个温度-位移耦合分析步：STEP-1为焊接过程，STEP-2为冷却过程，并设置这两个分析步的重启动请求；
③设置球壳与环境的相互作用为：表面热交换和表面辐射；设置热学载荷为：体热通量；
④将FORTRAN子程序文件添加到JOB模块中然后提交运算；
D、在温度-位移耦合分析模型基础上定义重启动分析，进行特征屈曲模态分析；
①复制温度-位移耦合模型并编辑模型的重启动属性；
②在STEP-2之后增加线性摄动屈曲分析步STEP-3，求取前5阶特征屈曲模态；
③编辑关键字使之能够输出结果文件.fil文件；
④提交运算；
E、建立静态弧长法分析模型，将包含焊接变形在内的低阶特征屈曲模态变形以及焊接残余应力引入到弧长法分析模型中，进行结构极限强度计算；
①建立耐压球壳的三维实体模型，赋予材料和截面属性，划分网格，设置边界条件；
②创建预定义应力场，将步骤C中得到的.odb文件添加到预定义场中，引入焊接残余应力；
③编辑关键字*Imperfection，将步骤D中得到的包含焊接变形的特征屈曲模态变形引入到极限强度计算中；
④将FORTRAN子程序文件添加到JOB模块中然后提交运算；
⑤进行后处理，得到极限强度值。
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