CN111523183A

CN111523183A - 一种焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法

Info

Publication number: CN111523183A
Application number: CN202010311832.0A
Authority: CN
Inventors: 徐从昌; 李落星; 何洪
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2020-08-11

Abstract

本发明公开了一种焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法，所述方法在有限元建模前，先根据焊接过程中不同区域的温度变化情况，将焊接样板进行切片，再测试得到每个拉伸试样的材料本构参数，在有限元建模时将每个拉伸试样的材料本构参数应用于每个微区，使不同微区具有不同的力学性能参数，实现了焊接接头微观区域力学性能地精确描述，大大提高了建模精度和建模的准确性，避免了整个焊接接头采用同一材料本构参数导致的模型不精确的问题。

Description

一种焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法

技术领域

本发明属于金属材料连接性能分析技术领域，尤其涉及一种金属材料焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法。

背景技术

焊接是一种非常有效的连接工艺，可以使得待连接材料之间形成永久性连接，一般是在加热或加压、或者同时加热和加压的条件下形成焊接接头。但是材料焊接后，接头各部位的性能不均匀，可能存在主要原因如下：1)填充的焊丝材料成分和性能等与相连接材料不一致；2)焊接的热影响区受到不同程度的加热作用，进行了不同程度的热处理，会导致焊接后的微观组织发生变化且不均匀；3)异种材料的焊接，焊缝两侧的原始材料成分和结构存在差异。因此，对焊接接头的力学性能，特别是各微观区域的性能进行精细的描述是非常重要的。

例如，已广泛应用于汽车、轨道交通、船舶、航空航天等交通工具的铝合金构件。相较于钢材焊接，铝合金热容系数高、导热系数大、线膨胀系数大，相同焊接速度下，焊接铝合金的热输入量是焊接钢材时的2-4倍。焊接过程中热量的不断输入，会导致焊接接头局部发生微观组织演变而引起强度软化。然而铝合金焊接结构件是车身中的关键零部件，大多都起着承载的作用，焊接软化使得强度降低会导致其在事故中发生断裂失效。因此准确预测焊接接头失效位置和接头的力学性能特性，对结构设计中的焊缝布置和服役安全性评价意义重大。

有限元建模分析法是描述金属材料在受外力作用下的变形行为和断裂行为非常重要的计算机辅助方式。对于均匀的块体材料，计算机仿真建模分析步骤如下：1)将理想材料进行拉伸实验，获得其应力—应变曲线，求解曲线上的屈服强度、抗拉强度、伸长率、应***化指数、应***化指数等参数，用以作为材料的力学本构方程；2)将块体材料视为完全均匀，再通过有限元法进行网格划分，将均匀块体划分为有限个独立的单元；3)将第1步所获得的材料参数输入到第2步所建立的模型中的有限单元中；4)设置模型所受到的工况参数，包括受力大小、受力位置、方向、分布规律等，建立受力计算模型；5)采用特定迭代算法，设定计算步长，以特定的变形模式使得各个有限单元变形并叠加，设定相应的收敛值，采用迭代计算使得各个有限单元之间的变形实现协调一致，并达到设定的收敛值；6)计算结束，输出个有限单元的变形、应力等云图，对零件的受力情况进行分析。上述过程中，步骤1)为材料参数的获取过程；步骤2)和3)为有限元建模过程；步骤4)和5)为计算过程；步骤6)为分析过程。对于任何一个有限元力学仿真分析案例来说，材料性能的获取和建模过程是重中之重，模型的精细程度和材料特性的准确性，决定了最终的计算结果的准确性。

对于焊接结构(焊接接头)来说，常规的有限元建模分析方法并不适用，主要的原因在于焊接接头不是均匀材料，其焊接接头的两侧及其焊缝区域的力学性能不均匀、各临近微区(微观区域)的材料参数不一致。因此，需要建立更精细的模型进行仿真分析，应尽量将结构划分为力学性能趋于均匀的细小的单元或者层，获得这些更小单元的材料参数，并重新建立更加精细的有限元模型，随后在进行仿真计算和结果分析。

然而，目前尚未有成熟的焊接接头有限元建模方法，目前行业中应用的方法比较粗犷，过程如下：将焊接接头取出，制取拉伸试样进行拉伸实验测试，获得焊接接头整体的力学性能数据和断裂位置，获得接头拉伸的本构方程，将断裂位置(通常也是力学性能最差的位置)的应力-应变曲线等所包含的参数作为整个接头的材料参数，以常规的均匀材料有限元模型进行计算。如此做法所获得的仿真分析结果精度低，特别是整个接头的变形量差异较大；另外，上述方法不能真实的描述接头上各点(区域)的真实受力和变形情况，不利于做出清晰准确的仿真预测。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法，以解决传统方法中建模精度低、准确性差的问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法，包括：

步骤1：制备一焊接样板，且获取焊接过程中焊接样板上不同区域的温度变化范围，所述不同区域是沿垂直于待焊接面长度方向且平行于待焊接面的区域；

步骤2：根据所述步骤1中不同区域的温度变化范围，沿垂直于待焊接面长度方向对所述焊接样板进行切割处理，制得多个拉伸试样；

步骤3：对每个所述拉伸试样进行力学性能测试得到每个拉伸试样的应力-应变曲线，采用本构模型来模拟每个拉伸试样的应力-应变曲线，获取每个拉伸试样的材料本构参数；且获得每个拉伸试样的断裂应变能；

步骤4：根据所述焊接样板建立有限元模型，再根据每个所述拉伸试样的实际尺寸对有限元模型进行微区划分，且进行网格划分；

步骤5：将所述步骤3中每个拉伸试样的材料本构参数和断裂应变能应用于每个拉伸试样所对应的微区，即得到精确的焊接样板的有限元模型。

本发明的方法，利用实际焊接过程中不同区域对应有不同的热冲击(不同热冲击下的力学性能不同)对焊接样板分层切片，并获得每个拉伸试样的材料本构参数，在有限元模型中，将每个拉伸试样的材料本构参数应用于每个微区，使焊接样板的不同微区对应有不同的材料本构参数(即力学性能参数)，实现了焊接接头微观区域力学性能地精确描述，大大提高了建模精度和建模的准确性，避免了整个焊接接头采用同一材料本构参数导致的模型不精确的问题，在此基础上再进行计算和分析，能得到精确的仿真预测。

进一步地，所述步骤1中，不同区域的温度变化范围的获取方法为：

步骤1.1：在母材上且沿垂直于母材待焊接面的长度方向，将所述母材依次划分为n个区域，每个区域的宽度不超过2mm；

步骤1.2：在焊接过程中监测每个区域的温度变化情况，获得焊接样板上不同区域的温度变化范围。

进一步地，所述步骤1.2中，采用K型热电偶来监测每个区域的温度变化情况。

进一步地，所述步骤1中，利用simufact软件来获得不同区域的温度变化范围。

进一步地，所述步骤1中，焊接样板的焊接接头类型为对接接头、T型接头、角接接头或者搭接接头。

进一步地，所述步骤2中，切割处理方式为线切割方式。

进一步地，所述步骤3中，采用Johnson-Cook模型来模拟每个拉伸试样的应力-应变曲线，Johnson-Cook模型的表达式为：

式中，σ为等效应力，ε_eq、

和

分别为等效塑性应变、试验中的应变速率和参考应变速率；T、T_r和T_m分别为应变为ε时的瞬时温度、参考温度和材料的熔化温度；A、B、C、n和m分别为参考温度下的初始屈服应力、应***化系数、应变速率系数、应***化指数和热软化指数。

进一步地，所述步骤3中，利用Cockcroft-Latham韧性断裂准则获得每个拉伸试样的断裂应变能。

进一步地，所述步骤4中，对于对接接头有限元模型，在距离焊缝中心3.8mm～19mm的范围内的网格划分尺寸为0.5mm×0.5mm×1mm，其他范围内的网格划分尺寸为1mm×1mm×1mm。

有益效果

与现有技术相比，本发明所提供的一种焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法，在有限元建模前，先根据焊接过程中不同区域的温度变化情况，将焊接样板进行切片，再测试得到每个拉伸试样的材料本构参数，在有限元建模时将每个拉伸试样的材料本构参数应用于每个微区，使不同微区具有不同的力学性能参数，实现了焊接接头微观区域力学性能地精确描述，大大提高了建模精度和建模的准确性，避免了整个焊接接头采用同一材料本构参数导致的模型不精确的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中对接接头及区域划分示意图；

图2是本发明实施例中对接接头及区域划分立体图；

图3是本发明实施例中对接接头的温度分布云图；

图4是本发明实施例中对接接头拉伸试样的尺寸图；

图5是本发明实施例中对接接头拉伸试样的工程应力-应变曲线图；

图6是本发明实施例中对接接头的有限元网络模型图；

图7是本发明实施例中对接接头模型力-位移仿真结果；

图8是本发明实施例中T型接头及区域划分示意图；

图9是本发明实施例中T型接头拉伸试样的工程应力-应变曲线图；

图10是本发明实施例中T型接头模型力-位移仿真结果。

其中，1-焊缝，2-铝板，3-固定端，4-加载端，A-待焊接面长度方向，B-切割方向。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

以6061-T6铝板进行对接焊接为例，本发明所提供的一种焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法，包括：

1、制备一焊接样板，且获取焊接过程中焊接样板上不同区域的温度变化范围，不同区域是沿垂直于待焊接面长度方向且平行于待焊接面的区域。

由于对接接头焊缝两侧铝板的焊接热影响状态相同，因此，只需获取焊接过程中一侧铝板上不同区域的温度变化范围，在铝板的侧面(即待焊接面)施加或焊接一条焊缝，以模拟实际焊接过程中的热冲击，在铝板的侧面施加焊缝可等效于焊接接头单侧的焊接热影响状态，如图1和2所示。原材料铝板的具体参数为：厚度t为10mm，长度为300mm宽度为l，热处理状态为T6，抗拉强度为342Mpa，屈服强度为323MPa，断后伸长率为9％。焊接时所采用的焊丝为直径1.2mm的ER5356铝合金焊丝。焊接设备采用OTC双脉冲MIG焊机(型号为DP400)，焊接电流为150A，焊接速度为60cm/min，焊丝干伸长度为15mm，保护气体为99.999％的氩气，气体流量为20L/min。为了防止铝板焊接中发生抖动，两端用工装压紧。

为了获得焊接过程中铝板不同区域的热冲击影响，沿垂直于待焊接面长度方向将铝板划分为区域L₁、区域L₂、区域L3、……、区域L_n，其中，n为正整数，单个区域的厚度不超过2mm，L₁为靠近焊缝的区域，L_n为远离焊缝的区域；在铝板侧面施加焊缝的同时，采用K型热电偶来监测每个区域的温度变化情况，获得各个区域的温度变化范围(同一区域温度分布差异极小)，如下表1所示，并结合步骤3的力学性能测试结果得到不同区域对应的拉伸试样的抗拉强调、屈服强度和断后伸长率。熔合区是焊缝与母材之间的一个狭窄区域，金属处于部分熔化状态，晶粒较大，金属的塑性和韧性下降，是焊接接头中的薄弱区域，也是焊缝与热影响区相互过渡的区域。热影响区是指在焊接过程中，由于近焊缝区域的母材也受到了电弧热的作用，这部分母材的组织和性能均要发生变化，这个发生了变化的母材区域。

本发明方法对于其他焊接接头同样适用，例如T型接头、角接接头或者搭接接头。

表1n个不同区域的温度变化范围

本实施例中，还可以利用simufact软件的焊接分析平台来获得不同区域的温度变化范围，根据铝板和焊缝的实际尺寸，建立三维有限元模型并进行网格划分。模型网格采用三维8节点单元，为兼顾计算效率和仿真精度铝板和焊缝网格的最小尺寸划分为1mm×1mm×2mm，节点总数为125612，单元总数为105735，通过simufact软件仿真所获得的焊接过程中焊接样板截面的温度场分布云图，如图3所示，通过图3也可以看出，在截面上温度呈水平状态(呈等高线分布规律)，靠近焊缝位置最高温度达到633℃，为焊缝熔合区的中间温度；沿远离焊缝熔合区的方向(即垂直于待焊接面的方向)，温度逐渐降低，在截面上同一区域温度分布差异极小，由此确定，通过垂直于待焊接面进行切片制样(拉伸试样)，可获得热影响区的等效试样，有效地证明了这种切割分区方式的可行性。

2、根据步骤1中不同区域的温度变化范围，沿垂直于待焊接面长度方向对焊接样板进行切割处理，制得多个拉伸试样。

由于同一区域温度分布差异极小，因此，同一区域力学性能差异也极小，沿垂直于待焊接面长度方向将焊接样板切割成多个切片，再对切片进行处理得到拉伸试样，拉伸试样的尺寸依据标准ASTM E8M-09设计，详细尺寸如图4所示，拉伸试样的总长为100mm，夹持部分宽度为10mm，宽度为6mm，标距长度为30mm，圆角半径R为6mm，厚度T为1mm。

根据铝板上不同区域的温度变化范围来进行切片，拉伸试样的数量可以与区域数量相同，也可以与区域数量不同，当相邻两个区域的温度变化极小时，可以将两个区域合并后形成一个拉伸试样，当同一区域的温度变化较大时，可以将该区域分成两个或两个以上的拉伸试样。本实施例中，拉伸试样的数量与区域的数量是一一对应的，即拉伸试样1～17对应区域L₁～L₁₇。但是在有限元建模时，微区的数量与拉伸试样的数量必须是一一对应的，这样可以保证拉伸试样的材料本构参数应用到每个对应的微区。

3、对每个拉伸试样进行力学性能测试得到每个拉伸试样的应力-应变曲线，采用本构模型来模拟每个拉伸试样的应力-应变曲线，获取每个拉伸试样的材料本构参数；且获得每个拉伸试样的断裂应变能。

拉伸试样的力学性能测试在Instron 3369万能试验机上进行，拉伸速度为2mm/min，每个拉伸试样的准静态拉伸试验结果如图5所示。从图5和表1可知，沿远离焊缝方向(或者待焊接面方向)各试样的抗拉强度呈现出先降低后增加的趋势，其中，热影响区拉伸试样中试样2和试样3的断后伸长率分别为23.35％，23.49％，明显高于其它热影响区试样，可见在试样2和试样3的位置有较好的塑性变形能力；试样5的抗拉强度最低，为201MPa，其强度系数约为母材的58.6％，试样16和试样17抗拉强度分别为340MPa、343MPa，断后伸长率分别为9.29％、9.06％，已达到母材性能，可以推断从试样16的位置开始，材料的力学性能不再受焊接的热影响(从试样16开始分为母材区)。由此可知，热影响区为试样1～试样15所包含的试样范围，宽度约为17mm，也是本发明仿真建模分析过程中需要输入精细力学参数的区域。

选择合适的本构方程(或称为本构模型)描述材料的变形行为是铝合金焊接接头韧性断裂数值模拟的重要前提。Johnson-Cook模型是一种经验型的粘塑性本构方程，能够对金属材料的加工硬化、应变速率和温度温升软化效应进行很好的描述。该本构方程所包含的物理含义清晰，形式简单，且参数求解方便，是目前工程应用中很是最广泛的一种本构模型。因此，本实施例使用Johnson-Cook模型对铝合金焊接接头进行数值模拟，表达式如下：

式(1)中，σ为等效应力，ε_eq、

和

分别为等效塑性应变、试验中的应变速率和参考应变速率；T、T_r和T_m分别为应变为ε时的瞬时温度、参考温度和材料的熔化温度；A、B、C、n和m分别为参考温度下的初始屈服应力、应***化系数、应变速率系数、应***化指数和热软化指数。本实施例中，基于室温下应变速率

为1×10^-3s^-1的准静态拉伸试验，确定参数A、B、n。当应变速率小于1s^-1时，变形引起的材料组织畸变能及位错相对较低，形变热量有较充分时间向外扩散(可参考叶延洪等提出的“6061-T651铝合金薄板接头的焊接变形”，中国有色金属学报，2014(10):2435-2442.)，由于本实施例中应变速率和准静态参考应变速率都为1×10^-3s^-1，准静态下忽略形变温升，即此时T＝T_r＝室温，故式(1)可简化为：

σ＝(A+Bⁿ) (2)

通过MATLAB编程拟合基材(即材料的力学性能不再受焊接的热影响)、热影响区和焊缝的应力-应变曲线，分别得出参数A、B和n值，进而得到每个拉伸试样的A、B和n值。

根据韧性断裂理论，材料在塑性应变过程中，断裂失效是由材料损伤引起的。Cockcroft等认为最大拉应力是导致材料失效的主要因素，当单位体积的塑性功达到某一极限值时材料发生破坏，即材料单元的断裂应变能应等于试样单元中最大拉应力沿塑性应变路径的积分，得到材料失效的判定依据，当断裂应变能达到临界值W_c时，材料发生断裂。Cockcroft-Latham韧性断裂准则在预测铝合金断裂失效较准确(可参考Terhorst M,Feuerhack A,Trauth D,et al.Extension of the normalized Cockcroft and Lathamcriterion with temperaturedependent critical damage values for predictingchevron cracks in solid forward extrusion[J].International Journal ofMaterial Forming,2015,9(4):1-8.和N.Le

Thuillier S,Manach P Y.Aluminumalloy damage evolution for different strain paths–Application to hemmingprocess[J].Engineering Fracture Mechanics,2009,76(9):1202-1214.)，因此，本实施例中，焊接接头韧性断裂数值模拟使用Cockcroft-Latham准则，具体表达式为：

式(3)中，σ₁为最大主应力，W_c为断裂应变能积分量W的临界值。

4、根据焊接样板建立有限元模型，再根据每个拉伸试样的实际尺寸对有限元模型进行微区划分，且进行网格划分。

将焊接样板的3D模型导入Hypermesh有限元软件中，并根据每个拉伸试样的实际尺寸进行微区划分，再划分网格。仿真模型采用8节点网格单元，整个模型节点总数为19374，网格总数为14668。仿真中材料选择MAT24号材料卡片，考虑到仿真精度和计算效率，将靠近焊缝处(离焊缝中心3.8mm～19mm的范围内)的网格尺寸划分为0.5mm×0.5mm×1mm，远离焊缝的位置网格尺寸划分为1mm×1mm×1mm，如图6所示，靠近焊缝的L1～L15为热影响区，两端部分为母材，L1～L15对应15个拉伸试样，每个拉伸试样对应一个微区。

5、将步骤3中每个拉伸试样的材料本构参数和断裂应变能应用于每个拉伸试样所对应的微区，即得到精确的焊接样板的有限元模型。

每个拉伸试样对应于一个有限元模型的微区(有限元模型的其他区域即为母材或基材，不受热影响)，拉伸试样与微区一一对应，将每个拉伸试样的材料本构参数和断裂应变能输入到对应微区中，使得有限元模型的每个微区对应不同的材料本构参数和断裂应变能，实现了焊接接头微观区域力学性能地精确描述，大大提高了建模精度和建模的准确性。

建模完成后，约束固定端的全部自由度，在加载端施加2mm/min的速度载荷，网格单元采用全积分单元方式进行仿真模拟。

为了表征材料在塑性阶段的加工硬化状态，本实施例采用Hollomon幂指数硬化模型，表达式如下：

σ_T＝K(ε_T)ⁿ (4)

其中：ε_T为真应变，K为强化系数，n为硬化指数，σ_T为真应力。硬化段曲线主要表征大变形下的应力与应变的关系，而根据实验结果可知，应变较大的位置主要在热影响区，因此仿真中主要对试样2～6(对应L2～L6区域的网格)的真实应力-应变曲线进行拟合，各区域的材料特性参数，如硬化指数n和强化指数K等如表2所示。

表2微区材料力学性能参数

仿真中断裂失效采用GISSMO模型模拟，在LS-DYNA仿真中用MAT_ADD_EROSION设置GISSMO的失效准则卡片，添加GISSMO失效相关参数。

图7是对接接头拉伸有限元模型模拟结果和试验结果的力-位移曲线。初始阶段，拉伸试样处于弹性变形阶段，力随位移呈线性变化，随着位移量的增加，拉伸试样的塑性变形开始占主导地位，力与位移的变化逐渐呈非线性增长，最后发生断裂失效。仿真与实验的峰值力分别为7182N、7172N，仿真误差0.1％，仿真与实验断裂失效时的位移分别为3.3mm、3.5m m，仿真误差为5.7％。从对接接头仿真与实验结果中力随位移的变化趋势、峰值力大小以及断裂失效所对应的位移可以看出，仿真与实验结果的一致性好，将焊接接头等效为多个拉伸试样进行有限元仿真预测的方法可行，预测精度可满足工程需要，并且对其它接头形式的强度仿真预测也具有一定的参考价值。

实施例2

以焊接材料为6063-T6铝合金挤压板进行T型焊接为例，本发明所提供的一种焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法，包括：

1、制备一焊接样板(焊接接头为T型接头)，且获取焊接过程中焊接样板上不同区域的温度变化范围，不同区域是沿垂直于焊缝长度方向(或待焊接面长度方向)且平行于焊缝(或待焊接面)的区域。

焊丝使用直径为1.2mm的ER5356铝合金焊丝，焊接电流为130A，电弧电压为20V，焊接速度为60cm·min^-1，气体流量为17L·min。T型焊接样板由300mm×150长方形壁板和300mm×90mm的长方形筋板组成，焊接样板的焊接方向垂直于板材的挤压方向(焊缝分布垂直于挤压方向)，如图8所示。

根据不同区域的温度变化范围，将T型焊接接头分为焊缝(WZ)、热影响区4(HAZ4)、热影响区3(HAZ3)、热影响区2(HAZ2)、热影响区1(HAZ1)及母材(BM)；同时，对壁板也细分为热影响区5(HAZ5)、热影响区6(HAZ6)、热影响区7(HAZ7)及两侧的BM。

2、根据步骤1中不同区域的温度变化范围，沿垂直于焊缝长度方向对焊接样板进行切割处理，制得多个拉伸试样。

按照步骤1的区域划分进行切割处理，得到拉伸试样BM、WZ、HAZ1、HAZ2、HAZ3、HAZ4、HAZ5、HAZ6、HAZ7(拉伸试样分别与步骤1的区域划分一一对应)。拉伸试样的尺寸根据国标GT/B 2651-2008来制备。

拉伸试样的力学性能测试在Instron 3369万能试验机上进行，拉伸速度为5mm/min，每个拉伸试样的准静态拉伸试验结果如图9所示。各拉伸试样的拉伸性能如下表3所示，R_m为抗拉强度，Rp0.2为屈服强度，A为断后伸长率，由表3可知，T型焊接接头中：基材力学性能高于热影响区，靠近焊缝处的热影响区延伸率大于基材；筋板热影响区(HAZ2)的抗拉强度最低(158.04MPa)，筋板中其余热影响区的力学性能随着远离焊缝逐渐增强，焊缝抗拉强度为183.55MPa，考虑T型接头的结构和HAZ2的力学性能，可以判断出在拉伸过程中，焊缝和HAZ2都有存在断裂风险。

表3各拉伸试样的拉伸性能参数

采用Johnson-Cook模型对T型焊接接头进行数值模拟，通过MATLAB编程拟合母材或基材(即材料的力学性能不再受焊接的热影响)、热影响区和焊缝的应力-应变曲线，分别得出参数A、B和n值，进而得到每个拉伸试样的A、B和n值。利用Cockcroft-Latham准则获得断裂应变能W_c，本实施例中W_c为73.1MPa，等效塑性应变为0.266。

将T型焊接接头的3D模型导入Hypermesh有限元软件中，并根据每个拉伸试样划分微区，再划分网格，选择六面体单元，单元网格尺寸1mm。

基体材料(即母材)使用MAT_107材料模型，采用如表4所列拟合得到Johnson-Cook模型参数A、B、n值。仿真试样一端为固定约束的刚体，另一端刚体沿轴向以5mm/min匀速拉伸。采用LS-DYNA显示平台进行求解计算。图10为仿真与试验获得的力-位移曲线对比结果，颈缩阶段之前，仿真和试验结果基本吻合，在仿真中，缺少材料失效判据，平行长度会持续减薄，不会发生断裂，因此力-位移曲线在位移1.75mm缓慢下降，没有发生突变，可以证明模型参数可以有效的预测试样断裂之前的变形行为和载荷变化。

表4基材、热影响区和焊缝处的失效参数

本发明的建模方法，制备等效的焊接接头，并根据焊接接头不同区域的温度变化范围对焊接接头进行分层切片，获得了焊接接头热影响区局部力学性能的精细表征，再根据分层切片后所得的拉伸试样实际尺寸对有限元模型进行微区划分，并将每个拉伸试样的材料本构参数或力学性能参数应用于对应的微区，使有限元模型每个微区对应有不同的材料本构参数，更为精确地表征了焊接接头的力学性能，大大提高了建模精度和建模的准确性；根据力-位移的仿真结构表明，采用该模型进行的仿真预测，仿真与实验结果的一致性好，预测精度高，预测精度可满足工程需要。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种焊接接头力学性能及断裂失效仿真建模方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述步骤1中，不同区域的温度变化范围的获取方法为：

3.如权利要求2所述的建模方法，其特征在于：所述步骤1.2中，采用K型热电偶来监测每个区域的温度变化情况。

4.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述步骤1中，利用simufact软件来获得不同区域的温度变化范围。

5.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述步骤1中，焊接样板的焊接接头类型为对接接头、T型接头、角接接头或者搭接接头。

6.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述步骤2中，切割处理方式为线切割方式。

7.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述步骤3中，采用Johnson-Cook模型来模拟每个拉伸试样的应力-应变曲线，Johnson-Cook模型的表达式为：

式中，σ为等效应力，ε_eq、

和

8.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述步骤3中，利用Cockcroft-Latham韧性断裂准则获得每个拉伸试样的断裂应变能。

9.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于：所述步骤4中，对于对接接头有限元模型，在距离焊缝中心3.8mm～19mm的范围内的网格划分尺寸为0.5mm×0.5mm×1mm，其他范围内的网格划分尺寸为1mm×1mm×1mm。