一种大型结构件焊接变形预测方法及系统

技术领域

本发明属于焊接变形预测技术领域，具体涉及大型结构件焊接变形预测方法及系统。

背景技术

工程机械领域常常涉及大型结构件的焊接，这些结构件的焊缝具有数量多、尺寸大、变截面的特点，由于焊接过程的不均匀加热和冷却，不可避免的会存在残余应力与变形。焊接变形的存在会影响成形精度，继而影响结构件的局部强度和稳定性，降低产品使用性能。因此需要在焊后花费大量的人力、物力和时间对结构件进行矫形处理，甚至部分焊接结构件无法矫正到满足生产要求，大大影响产品生产效率和生产成本。如何有效的控制焊接变形成为工程师亟待考虑的问题。

随着数值模拟技术的发展，技术人员将其应用于焊接变形的仿真和预测。目前焊接变形预测方法主要有热弹塑性有限元法和固有应变法。热弹塑性有限元法具有计算结果精确，但是对于大型结构件则耗时过长，计算效率较低，不能满足产品设计周期要求。

固有应变法是基于弹性理论的有限元分析方法，其通过获取焊接接头固有应变，并将其作为初始载荷施加到整条焊缝上进行一次弹性计算，从而得到整个结构的焊接变形及残余应力，因此计算效率非常高。但是存在固有应变参数测量困难、测量精度不高的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型结构件焊接变形预测方法及系统，解决了当前大型结构件焊接变形预测周期长，固有应变参数测量困难、测量精度不高的技术难题。

为达到上述目的，第一方面本发明所采用的技术方案是：一种大型结构件焊接变形预测方法，包括：

根据待预测的结构件建立结构件有限元模型，调取焊接变形数据库内的固有变形数据对结构件有限元模型进行焊接仿真，获取结构件的焊接变形云图；

所述焊接变形数据库内的固有变形数据的获取过程为：

通过分别改变焊接试验条件和焊接接头形式进行焊接试验，其中，所述焊接试验中由多个焊接试板焊接形成所述焊接接头，记录各焊接试验对应的焊接变形数据；基于焊接变形数据计算焊接试板的固有变形参数G

基于壳单元对焊接试验中焊接接头建立焊接接头有限元模型；根据固有变形参数G

若仿真固有变形参数F

优选的，所述焊接试验条件包括焊接试板厚度、焊接方法、焊接材料、填充材料、焊接位置、焊接电流、焊接电压和焊接速度。

优选的，所述焊接接头形式包括对接接头、T形接头和搭接接头。

优选的，当焊接试验中焊接接头形式为对接接头时，基于焊接变形数据计算焊接试板的固有变形参数G

当焊接试验中焊接接头形式为焊接板H

当焊接试验中焊接接头形式为对接接头时，所述固有变形参数G

公式中，

优选的，当焊接试验中焊接接头形式为T形接头时，基于焊接变形数据计算焊接试板的固有变形参数G

当焊接试验中焊接接头形式为焊接板H

当焊接试验中焊接接头形式为T形接头时，所述固有变形参数G

δ

δ

θ

δ

δ

θ

θ

公式中，

优选的，当焊接试验中焊接接头形式为搭接接头时，基于焊接变形数据计算焊接试板的固有变形参数G

焊接试验中焊接接头形式为焊接板H

当焊接试验中焊接接头形式为搭接接头时，所述固有变形参数G

δ

公式中，

优选的，基于仿真固有变形参数F

公式中，G

优选的，仿真固有变形参数F

第二方面本发明提供了一种大型结构件焊接变形预测系统，包括：

焊接变形预测模块，用于根据待预测的结构件建立结构件有限元模型，调取焊接变形数据库内的固有变形数据对结构件有限元模型进行焊接仿真，获取结构件的焊接变形云图；

试验数据获取模块，用于通过分别改变焊接试验条件和焊接接头形式进行焊接试验，其中，所述焊接试验中由多个焊接试板焊接形成所述焊接接头，记录各焊接试验对应的焊接变形数据；基于焊接变形数据计算焊接试板的固有变形参数G

计算模块，用于基于壳单元对焊接试验中焊接接头建立焊接接头有限元模型；根据固有变形参数G

迭代模块，用于若仿真固有变形参数F

优选的，所述焊接试验条件包括焊接试板厚度、焊接方法、焊接材料、填充材料、焊接位置、焊接电流、焊接电压和焊接速度。

优选的，所述焊接接头形式包括对接接头、T形接头和搭接接头。

优选的，基于仿真固有变形参数F

公式中，G

优选的，仿真固有变形参数F

第三方面本发明提供了电子设备包括存储介质和处理器；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行第一方面所述的方法。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明若仿真固有变形参数F

附图说明

图1是实施例1提供的大型结构件焊接变形预测方法的流程图；

图2是实施例1提供的焊接接头形式的对比示意图；

图3是实施例1提供的对接接头的计算模型示意图；

图4是实施例1提供的T形接头的尺寸计算模型示意图；

图5是实施例1提供的T形接头的测试点分布示意图；

图6是实施例1提供的搭接接头的计算模型示意图；

图7是实施例1提供的固有变形数据修正的流程图；

图8是实施例2提供的大型结构件焊接变形预测系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

实施例1

如图1至图7所示，一种大型结构件焊接变形预测方法，包括

利用Hypermesh软件根据待预测的结构件建立结构件有限元模型，为结构件有限元模型中每一组件分别赋予材料弹性模量、泊松比和厚度属性，基于实际情况为模型施加约束条件，调取焊接变形数据库内的固有变形数据对结构件有限元模型进行焊接仿真，获取结构件的焊接变形云图；

所述焊接变形数据库内的固有变形数据的获取过程为：

通过分别改变焊接试验条件和焊接接头形式进行焊接试验，其中，所述焊接试验中由多个焊接试板焊接形成所述焊接接头，记录各焊接试验对应的焊接变形数据；所述焊接试验条件包括焊接试板厚度、焊接方法、焊接材料、填充材料、焊接位置、焊接电流、焊接电压和焊接速度；如图2所示，所述焊接接头形式包括对接接头、T形接头和搭接接头；当焊接试验中焊接接头形式为对接接头时，基于焊接变形数据计算焊接试板的固有变形参数G

如图3所示，当焊接试验中焊接接头形式为焊接板H

表1对接接头板材焊接试验推荐尺寸表

当焊接试验中焊接接头形式为对接接头时，所述固有变形参数G

公式中，

如图4和图5所示，当焊接试验中焊接接头形式为T形接头时，基于焊接变形数据计算焊接试板的固有变形参数G

当焊接试验中焊接接头形式为焊接板H

表2T形接头板材焊接试验相关参数定义及推荐尺寸

当焊接试验中焊接接头形式为T形接头时，所述固有变形参数G

δ

δ

θ

δ

δ

θ

θ

公式中，

如图6所示，当焊接试验中焊接接头形式为搭接接头时，基于焊接变形数据计算焊接试板的固有变形参数G

当焊接试验中焊接接头形式为焊接板H

表3搭接接头板材焊接试验推荐尺寸

当焊接试验中焊接接头形式为搭接接头时，所述固有变形参数G

δ

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公式中，

如图7所示，基于壳单元对焊接试验中焊接接头建立焊接接头有限元模型；根据固有变形参数G

若仿真固有变形参数F

公式中，G

重复对焊接接头有限元模型进行焊接变形仿真过程进行迭代，直至仿真固有变形参数F

基于固有应变法利用壳单元对大型结构件进行焊接变形预测，与基于热弹塑性有限元的焊接变形仿真相比，预测时间由天级降到了小时级，计算效率显著提高，且与基于实体单元的固有应变法焊接变形仿真相比，模型前处理工作由复杂变为简单，降低了对仿真人员的要求；输入基于本发明获得的高精度接头固有变形参数，可实现对大型结构件焊接变形的高精高效预测。

通过该方法不断扩充焊接变形数据库，设计人员在产品设计周期可随时便捷的调用数据以获得焊接变形云图，根据焊接变形云图获得变形趋势及变形大小并确定关键焊接位置，在关键位置施加反变形或约束措施，通过焊接仿真结果指导产品设计，可替代大部分的工艺试验，从而有效缩短设计周期和节约产品研发成本。

实施例2

如图8所示，一种大型结构件焊接变形预测系统，本实施例提供的系统可以应用实施例1所述的方法，控制方法包括：

焊接变形预测模块，用于根据待预测的结构件建立结构件有限元模型，调取焊接变形数据库内的固有变形数据对结构件有限元模型进行焊接仿真，获取结构件的焊接变形云图；

试验数据获取模块，用于通过分别改变焊接试验条件和焊接接头形式进行焊接试验，其中，所述焊接试验中由多个焊接试板焊接形成所述焊接接头，记录各焊接试验对应的焊接变形数据；所述焊接试验条件包括焊接试板厚度、焊接方法、焊接材料、填充材料、焊接位置、焊接电流、焊接电压和焊接速度；所述焊接接头形式包括对接接头、T形接头和搭接接头；基于仿真固有变形参数F

公式中，G

计算模块，用于基于壳单元对焊接试验中焊接接头建立焊接接头有限元模型；根据固有变形参数G

迭代模块，用于若仿真固有变形参数F

实施例3

电子设备包括存储介质和处理器；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行实施例1所述的方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。