CN108563800A - 一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法 - Google Patents

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黄庭尊
杨嘉伟
严益
王春景
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Abstract

本发明公开了一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，步骤是：建立单次超声冲击过程的有限元模型，并提交显示求解器进行计算；第一次冲击计算完成之后，重新建立有限元模型，并读入第一次计算完成后的变形工件作为新模型的工件，读入第一次计算完成后的应力状态作为初始状态，其余设置与第一次计算相同，提交显示求解器进行求解计算；使用循环功能使第二步的过程实现自动重复，但每次读入的变形部件和初始应力状态为上一次计算完成后的部件和应力状态；冲击次数达到预定次数后，建立稳定化模型，利用隐式求解器进行稳定化计算，得到最终计算结果；实现进一步观察超声冲击过程中对工件应力和变形造成的改善。

Description

一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及有限元模拟方法领域，具体涉及一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法。
背景技术
焊接残余应力对焊接结构的承载能力、疲劳性能、抗腐蚀性能等均有重大影响，因此在焊接生产过程中必须加以调控。在众多焊接残余应力调控方法中，焊后超声冲击处理是一种较为理想的调控方法。
现实过程中，由于超声冲击过程较快，工件中各个物理量的变化较为复杂，因此难以通过实际测量的方法对该过程进行监控。近年来，随着有限元理论和计算机技术的发展，国内外大量学者试图通过有限元模拟的方法对超声冲击过程进行监控。但是由于软件能力的限制，大部分模型只能模拟一次或数次冲击过程，无法真实反映实际过程中多次冲击的现象。因此，需要对上述计算模型进行改进。张颖在《超声冲击激光熔覆层的应力场数值模拟》一文中公开了一种通过加载速度时间曲线来实现连续冲击载荷的计算模型，但是该模型并未实现实际冲击过程中的多次冲击；袁奎霖在《超声冲击处理对高强钢焊接接头残余应力影响的数值模拟》一文中公开了一种超声冲击的数值模拟方法，该方法实现了定点多次冲击，但是并未实现冲击面由一次冲击到多次的自动重复计算。
发明内容
针对上述现有技术中现有超声冲击数值模拟方法的不足，本发明的目的在于提供一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，通过改进有限元模拟方法以真实反映实际过程中多次冲击现象。
本发明技术方案如下：
一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，包括如下步骤：
S1：第一次冲击计算：建立冲击针和工件的几何模型，赋予材料属性，设置分析步，设置接触关系，定义约束，网格划分，提交计算得到第一次计算结果；
S2：第二次冲击计算：读取步骤S1中第一次计算完成后的应力状态作为初始应力状态，将第一次冲击计算完成后的变形工件作为新模型的工件，重新建立冲击针和工件的几何模型；赋予材料属性，设置分析步，设置接触关系，定义约束，网格划分，提交计算得到第二次计算结果；
S3：重复冲击计算：提取上一次计算完成后的变形工件作为新模型的工件，读取上一次计算完成后的应力状态作为初始应力状态，重新建立冲击针和工件的几何模型；赋予材料属性，设置分析步，设置接触关系，定义约束，网格划分，提交计算；重复上述冲击过程直至达到预定冲击计算次数时停止，最终获得多次冲击计算结果；
S4：稳定化计算：将步骤S3中最后一次计算结束后的变形工件和应力状态作为初始条件，建立稳定化模型；赋予材料属性，设置分析步，定义约束，提交计算即可得到最终的稳定化结果。
优选的，步骤S1中所述冲击针的几何模型为轴对称模型，工件的几何模型为矩形模型；所述赋予材料属性选用Johnson-Cook材料本构模型，其表达方式为：
式中：为屈服应力，A为环境温度(Tr)下的初始屈服应力，B为应***化参数，E为应变率敏感系数，为等效塑性应变，为当前应变率，为参考应变率，T为当前温度，Tm为材料熔化温度，n为应***化指数，s为热软化系数；
所述分析步类型为Dynamic-Explicit型；所述接触关系为面面接触，其中主面为冲针的外表面，从面为工件外表面；
所述定义约束为对冲针和工件施加轴对称约束，工件下表面采用完全约束，并限制冲针的横向位移和转动；所述网格划分采用过渡网格形式，其单元类型选用CAX4型。
优选的，步骤S1中所述分析步时长为0.00005s。
优选的，步骤S2中所述赋予材料属性、设置分析步、设置接触关系、定义约束、网格划分与步骤S1中完全相同。
优选的，步骤S3中所述赋予材料属性、设置分析步、设置接触关系、定义约束、网格划分与步骤S1中完全相同。
优选的，步骤S4中赋予材料属性与步骤S1中相同；所述设置分析步类型为Static-General型；分析步时长为1s；所述定义约束过程为：对工件施加轴对称约束，且对工件的其中一点施加完全约束。
优选的，定义约束中对工件右下角的节点位置处施加完全约束。
有益效果：
本发明所述一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，采用先建立单次超声冲击过程的有限元模型并提交显示求解器进行计算，再以第一次计算完成后的变形工件作为新模型的工件，第一次计算完成后的应力状态作为初始状态，提交显式求解器进行求解计算；在此基础上使用循环功能使建立模型和计算过程实现自动重复，但每次读入的变形部件和初始应力状态为上一次计算完成后的工件和应力状态；冲击次数达到预定次数后，建立稳定化模型，利用隐式求解器进行稳定化计算，得到最终计算结果；以此来真实反映实际过程中大量冲击的现象，对该过程进行监控，借助此模拟优化其工艺参数。
附图说明
图1为实施例1数值模拟的流程图。
图2为冲击针和工件的轴对称模型图。
图3为第一次冲击网格划分图。
图4为第一次冲击等效应力云图(隐藏冲针)。
图5为第一次冲击结束变形工件图。
图6为第二次冲击初始状态应力云图(隐藏冲针)。
图7为64次冲击等效应力云图(隐藏冲针)。
图8为稳定化计算初始状态应力云图。
图9为稳定化计算等效应力云图。
具体实施方式
以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。
下面结合304L不锈钢的具体实施例对本发明的技术方案予以详细描述，过程如图1所示。
S1：第一次冲击计算：建立冲击针和工件的几何模型：超声冲击所使用的冲击针使用轴对称模型，工件为矩形模型；有限元模型的具体形式如图2所示。赋予材料属性：赋予材料属性选用Johnson-Cook材料本构模型，其表达方式为：
式中：为屈服应力，A为环境温度(Tr)下的初始屈服应力，B为应***化参数，E为应变率敏感系数，为等效塑性应变，为当前应变率，为参考应变率，T为当前温度，Tm为材料熔化温度，n为应***化指数，s为热软化系数；通过查阅相关文献，本发明所使用的304L不锈钢Johnson-Cook本构模型的相关参数分别为：A＝310MPa，B＝1000MPa，E＝0.07，n＝0.65，s＝1.0，Tm＝1679℃；由于超声冲击过程中温度变化较小，因此忽略温度的软化效应，取T＝Tr＝20℃。其他参数：密度ρ＝7900Kg/m3，杨氏模量E＝200GPa，泊松比υ＝0.3。
设置分析步：冲击过程的分析步类型为Dynamic-Explicit型。本示例所采用的超声冲击频率为20KHz，每次冲击时长为0.00005s，因此设置分析步时长为0.00005s。当研究冲击频率对冲击效果的影响时，需要对该值进行调整。
设置接触关系：本示例中，接触关系采用面面接触，其中主面为冲针的外表面，从面为工件外表面。
定义约束：由于本示例采用的是轴对称模型，因此需要对冲针和工件施加轴对称约束；此外，根据实际情况，工件下表面采用完全约束，并限制冲针的横向位移和转动。
网格划分：本示例采用过渡网格的形式，以此来保证计算效率和精度。网格的具体划分形式如图3所示，单元类型选用CAX4型。
提交计算得到第一次计算结果；将建立的有限元模型提交计算，计算结果的等效应力云图如图4所示。
S2：第二次冲击计算：读取步骤S1中第一次计算完成后的应力状态作为初始应力状态，将第一次冲击计算完成后的工件通过导入的方式读入模型中，如图5所示；重新建立冲击针和工件的几何模型；赋予材料属性、设置分析步、设置接触关系、定义约束、网格划分相关步骤同步骤S1中相应步骤；通过初始状态命令读取工件在第一次计算结束时的应力状态，如图6所示；提交计算得到第二次计算结果；
S3：重复冲击计算：提取上一次计算完成后的变形工件作为新模型的工件，读取上一次计算完成后的应力状态作为初始应力状态，重新建立冲击针和工件的几何模型；赋予材料属性，设置分析步，设置接触关系，定义约束，网格划分，提交计算；提取上述步骤命令流，放入for循环中重复上述冲击过程直至达到预定冲击计算次数时停止，最终获得多次冲击计算结果；总的冲击时间可以通过for循环次数确定；为了节约时间，本示例所展示的是64次冲击之后的计算结果，如图7所示。
S4：稳定化计算：将步骤S3中最后一次计算结束后的变形工件作为初始条件，即64次冲击后的工件通过导入的方式读入，如图8所示。将64次计算完成后的应力状态作为初始条件，建立稳定化模型；赋予材料属性同步骤S1中；
设置分析步：稳定化计算的分析步类型为Static-General型；分析步时长为1s。
定义约束：对工件施加轴对称约束；同时为了防止产生刚性位移，需对工件的其中一点施加完全约束，本示例选择的是部件右下角的节点。
提交计算即可得到最终的稳定化结果，如图9所示。

Claims (7)

1.一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：第一次冲击计算：建立冲击针和工件的几何模型，赋予材料属性，设置分析步，设置接触关系，定义约束，网格划分，提交计算得到第一次计算结果；
S2：第二次冲击计算：读取步骤S1中第一次计算完成后的应力状态作为初始应力状态，将第一次冲击计算完成后的变形工件作为新模型的工件，重新建立冲击针和工件的几何模型；赋予材料属性，设置分析步，设置接触关系，定义约束，网格划分，提交计算得到第二次计算结果；
S3：重复冲击计算：提取上一次计算完成后的变形工件作为新模型的工件，读取上一次计算完成后的应力状态作为初始应力状态，重新建立冲击针和工件的几何模型；赋予材料属性，设置分析步，设置接触关系，定义约束，网格划分，提交计算；重复上述冲击过程直至达到预定冲击计算次数时停止，最终获得多次冲击计算结果；
S4：稳定化计算：将步骤S3中最后一次计算结束后的变形工件和应力状态作为初始条件，建立稳定化模型；赋予材料属性，设置分析步，定义约束，提交计算即可得到最终的稳定化结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，其特征在于，步骤S1中所述冲击针的几何模型为轴对称模型，工件的几何模型为矩形模型；所述赋予材料属性选用Johnson-Cook材料本构模型，其表达方式为：
式中：为屈服应力，A为环境温度(Tr)下的初始屈服应力，B为应***化参数，E为应变率敏感系数，为等效塑性应变，为当前应变率，为参考应变率，T为当前温度，Tm为材料熔化温度，n为应***化指数，s为热软化系数；
所述分析步类型为Dynamic-Explicit型；所述接触关系为面面接触，其中主面为冲针的外表面，从面为工件外表面；
所述定义约束为对冲针和工件施加轴对称约束，工件下表面采用完全约束，并限制冲针的横向位移和转动；所述网格划分采用过渡网格形式，其单元类型选用CAX4型。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，其特征在于，步骤S1中所述分析步时长为0.00005s。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，其特征在于，步骤S2中所述赋予材料属性、设置分析步、设置接触关系、定义约束、网格划分与步骤S1中完全相同。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，其特征在于，步骤S3中所述赋予材料属性、设置分析步、设置接触关系、定义约束、网格划分与步骤S1中完全相同。
6.根据权利要求1所述的一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，其特征在于，步骤S4中赋予材料属性与步骤S1中相同；所述设置分析步类型为Static-General型；分析步时长为1s；所述定义约束过程为：对工件施加轴对称约束，且对工件的其中一点施加完全约束。
7.根据权利要求6所述的一种基于超声冲击改善残余应力分布过程的数值模拟方法，其特征在于，定义约束中对工件右下角的节点位置处施加完全约束。
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