利用有限元素法建立摩擦搅拌焊接结构缺陷预测模型

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及利用有限元素法建立摩擦搅拌焊接结构缺陷预测模型。

背景技术

新能源汽车续航里程是目前各汽车厂重要目标之一，而车辆簧下质量为首要目标，透过摩擦搅拌焊接技术成熟发展，制程应用渐由航空制造业转向民生产业，摩擦搅拌焊接技术首次运用于汽车底盘结构，将原始一体成形铸件转而成为两片式甚至多片式的设计；一体式铸件常因为结构过大，需补充铸件收缩，导致冷却速率过慢，材料物理性能无法提升，利用两片式(多片式)及摩擦搅拌焊接技术结合，使个别铸件体积缩小，减少铸件缺陷，进而利用多片式接合的优势，创造中空区域，不仅能达到减重，亦有降噪的效果。

然而空腔区域在焊接过程中经常产生塌陷、开裂等各式缺陷，利用有限元素法，在设计阶段进行前期评估，分析结构本身刚性及强度，预测摩擦搅拌焊接制程中的缺陷，为此我们提出利用有限元素法建立摩擦搅拌焊接结构缺陷预测模型。

发明内容

本发明的目的在于提供利用有限元素法建立摩擦搅拌焊接结构缺陷预测模型，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：利用有限元素法建立摩擦搅拌焊接结构缺陷预测模型，包括有以下步骤：

S1、绘制3D数模，并建立有限元素模型：通过UG软件对摩擦搅拌焊接的结构3D数模进行建设，并且通过3D数模建立有限元素模型，并且对各项物理性能数据进行导入；

S2、通过有限元素模型导出摩擦搅拌焊接的各种数据参数：通过在模型上模拟焊头与待焊区域接触，并施加一恒定力量于焊头，观察焊接结构变化，并且将摩擦焊接的各种数据参数进行输出；

S3、将输出的各项参数输入到塌陷量缺陷预测模型中进行数据分析：通过S2中的数据参数输入到塌陷量缺陷预测模型，通过数据信息进行分析，进而得出摩擦焊接过程中可能发生的塌陷量和缺陷的情况预测；

S4、在对结构进行摩擦焊接处理：通过S3中的塌陷量和缺陷的情况预测的结果进行避免，然后对结构焊接处进行摩擦焊接。

优选的，所述S1中的UG软件建造步骤如下：

S101：先将CAD图导入到UG软件中，作为底图进行冻结；

S102：再依次输入CAD其他平面图，通过二维扑捉，将扑捉电设置为垂直点，并且将导入的图层轮廓叠放在一起，然后上图层沿Y轴移动作为参考，然后在导入其他的结构图像，并对你轮廓线，再冻结；

S103：生成实体，通过多层的图像的导入，然后将图像连接起来形成3D模型图像。

优选的，所述S1中的有限元素模型的建设如下：

S111：结构的离散化，是把结构或连续体分割成许多单元，因而在着手分析时，必须用适当的有限元素把结构模型化，并确定单元的数量、类型、大小和布置；

S112：从区域或结构中取出其中一个单元来研究，选择适当的插值模式或位移模式近似地描述单元的位移场，由于在任意给定的荷载作用下，复杂结构的位移解不可能预先准确地知道，因此，通常把差值模式取为多项式形式，从计算的观点看多项式简单，而且满足一定的收敛要求，单元位移函数用多项式来近似后，问题就转化为如何求出节点位移，节点位移确定后，位移场也就确定了；

S113：单元刚度矩阵和荷载向量的推导，根据假设的位移模式，利用平衡条件或适当的变分原理就可以推导出单元的刚度矩阵和荷载向量；

S114：由集合单元方程得到总的平衡方程组，连续体或结构由许多有限元的单元组合而成，因此，对整个连续体或结构进行有限元分析时，就需进行组合。

优选的，所述S1中的物理性能数据包括有焊接部位的厚度、焊接部位的直径、焊接部位的硬度、焊接部位的弹性和焊接部位的热传参数。

优选的，所述S2中模拟摩擦焊接的过程如下：

S21：通过施压结构，在摩擦焊接部位进行施加一恒定的压力，使得焊接结构在摩擦的过程中能够紧密的贴合：

S22：通过动力机构，将焊头旋转并施压在预焊接的多片式轮圈结构上，第一阶段下压一恒定位移，将焊针部位完全插入后，第二阶段以恒定压力及等速移动进行焊接，完成焊接后，再缓慢将焊针抽起，使多片式轮圈结构得以紧密贴合；

S23：测量模拟参数，在焊接结束之后，通过检测，实现对焊接部位的缺陷和坍陷量进行检测，输出数据参数。

优选的，所述施压结构在第一进行施压的时候，第一阶段以位移量定义3mm-10mm，所述施压结构在摩擦搅拌焊接行走状态的时候施加的压力大小是1kN-5kN。

优选的，所述测量模拟参数包括有焊接部位的塌陷和缺陷的数量，以及塌陷和缺陷的各处直径大小，并且对焊接部位的厚度、弹性变形、塑性变形和焊接节点的大小进行检测。

优选的，所述S3中的塌陷量缺陷预测模型采用的是回归方程和德尔菲法进行结合计算预测塌陷量缺陷预测模型的结果。

优选的，所述德尔菲法是征询每位成员的预测值，相互参照后再次征询各位的预测值，征询几轮之后，使预测值趋于一致的方法，首先以征询每组数据的预测值，经过几轮之后，将预测值的分布情况和预测结果统计征询的结果，把具有代表性的中位数作为最终预测值；并根据预测最终预测值前后数据个数进行判断，并且数据信息输送给回归方程进行拟合。

优选的，所述回归方程采用最小二乘法进行拟合：

通过最小二乘法求出其方程，可以计算出对于y＝bx+a的直线，

一般地，影响y的因素往往不止一个，假设有x1，x2，...，xk，k个因素，通常可考虑如下的线性关系式：

y＝β

对y与x1，x2，...，xk同时作n次独立观察得n组观测值(xt1，xt2，...，xtk)，t＝1，2，...，n(n＞k+1)，它们满足关系式：

y＝β

其中，ε

为了用矩阵表示上式，令：

于是有Y＝Xβ+ε，

使用最小二乘法得到β的解

其中，

(X

称为X的伪逆。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用有限元素法进行分析，建立缺陷预测模型，同时建立各项参数数据库，通过前期实验与分析数据验证，减少后续设计开发时间，并能减少产品开发成本，利用预测模型、参数数据库及数据验证，以达到结构优化，降低产品重量，进而达成减少废弃物排放目的。

附图说明

图1为本发明的步骤结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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做出创造性劳动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。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：利用有限元素法建立摩擦搅拌焊接结构缺陷预测模型，包括有以下步骤：

S1、绘制3D数模，并建立有限元素模型：通过UG软件对摩擦搅拌焊接的结构3D数模进行建设，并且通过3D数模建立有限元素模型，并且对各项物理性能数据进行导入；

S2、通过有限元素模型导出摩擦搅拌焊接的各种数据参数：通过在模型上模拟焊头与待焊区域接触，并施加一恒定力量于焊头，观察焊接结构变化，并且将摩擦焊接的各种数据参数进行输出；

S3、将输出的各项参数输入到塌陷量缺陷预测模型中进行数据分析：通过S2中的数据参数输入到塌陷量缺陷预测模型，通过数据信息进行分析，进而得出摩擦焊接过程中可能发生的塌陷量和缺陷的情况预测；

S4、在对结构进行摩擦焊接处理：通过S3中的塌陷量和缺陷的情况预测的结果进行避免，然后对结构焊接处进行摩擦焊接。

为了实现对3D数模的建立，并且提高建立3D数模的速度，采用UG软件进行快速的建设，本实施例中，优选的，所述S1中的UG软件建造步骤如下：

S101：先将CAD图导入到UG软件中，作为底图进行冻结；

S102：再依次输入CAD其他平面图，通过二维扑捉，将扑捉电设置为垂直点，并且将导入的图层轮廓叠放在一起，然后上图层沿Y轴移动作为参考，然后在导入其他的结构图像，并对你轮廓线，再冻结；

S103：生成实体，通过多层的图像的导入，然后将图像连接起来形成3D模型图像。

为了实现对有限元素模型的建立，本实施例中，优选的，所述S1中的有限元素模型的建设如下：

S111：结构的离散化，是把结构或连续体分割成许多单元，因而在着手分析时，必须用适当的有限元素把结构模型化，并确定单元的数量、类型、大小和布置；

S112：从区域或结构中取出其中一个单元来研究，选择适当的插值模式或位移模式近似地描述单元的位移场，由于在任意给定的荷载作用下，复杂结构的位移解不可能预先准确地知道，因此，通常把差值模式取为多项式形式，从计算的观点看多项式简单，而且满足一定的收敛要求，单元位移函数用多项式来近似后，问题就转化为如何求出节点位移，节点位移确定后，位移场也就确定了；

S113：单元刚度矩阵和荷载向量的推导，根据假设的位移模式，利用平衡条件或适当的变分原理就可以推导出单元的刚度矩阵和荷载向量；

S114：由集合单元方程得到总的平衡方程组，连续体或结构由许多有限元的单元组合而成，因此，对整个连续体或结构进行有限元分析时，就需进行组合。

为了实现对模型的预测所需要的参数进行输入，使得模型的预测更加的准确，本实施例中，优选的，所述S1中的物理性能数据包括有焊接部位的厚度、焊接部位的直径、焊接部位的硬度、焊接部位的弹性和焊接部位的热传参数。

为了实现对焊接结构的摩擦搅拌焊接过程进行模拟，并且有效的模拟出缺陷和坍陷量的产生，本实施例中，优选的，所述S2中模拟摩擦焊接的过程如下：

S21：通过施压结构，在摩擦焊接部位进行施加一恒定的压力，使得焊接结构在摩擦的过程中能够紧密的贴合：

S22：通过动力机构，将焊头旋转并施压在预焊接的多片式轮圈结构上，第一阶段下压一恒定位移，将焊针部位完全插入后，第二阶段以恒定压力及等速移动进行焊接，完成焊接后，再缓慢将焊针抽起，使多片式轮圈结构得以紧密贴合；

S23：测量模拟参数，在焊接结束之后，通过检测，实现对焊接部位的缺陷和坍陷量进行检测，输出数据参数。

为了使得焊接结构能够实现贴合连接，并且实现热熔的时候能够使得焊接部位之间能够紧密的连接，使得焊接部为能够粘连在一起，本实施例中，优选的，所述施压结构在第一进行施压的时候，第一阶段以位移量定义6mm，所述施压结构在摩擦搅拌焊接行走状态的时候施加的压力大小是4kN。

为了实现对焊接情况的预测，统计出模拟焊接过程中产生的各种数据信息，本实施例中，优选的，所述测量模拟参数包括有焊接部位的塌陷和缺陷的数量，以及塌陷和缺陷的各处直径大小，并且对焊接部位的厚度、弹性变形、塑性变形和焊接节点的大小进行检测。

为了更好的预测焊接情况的产生，通过德尔菲法实现对焊接参数进行分布并且预测每组参数的预测值，然后再将预测值通过线性回归拟合线性曲线，本实施例中，优选的，所述S3中的塌陷量缺陷预测模型采用的是线性回归和德尔菲法进行结合计算预测塌陷量缺陷预测模型的结果。

为了实现对焊接情况出现的数据进行分布排列，并且预测每一个出现的数据信息的实际产生的数据情况，并且确定预测值的分布情况，本实施例中，优选的，所述德尔菲法是征询每位成员的预测值，相互参照后再次征询各位的预测值，征询几轮之后，使预测值趋于一致的方法，首先以征询每组数据的预测值，经过几轮之后，将预测值的分布情况和预测结果统计征询的结果，把具有代表性的中位数作为最终预测值；并根据预测最终预测值前后数据个数进行判断，并且数据信息输送给回归方程进行拟合。

为了实现预测数据能够更加清晰的显示处实际焊接过程中可能产生的问题曲线走线，本实施例中，优选的，所述回归方程采用最小二乘法进行拟合：

通过最小二乘法求出其方程，可以计算出对于y＝bx+a的直线，

一般地，影响y的因素往往不止一个，假设有x1，x2，...，xk，k个因素，通常可考虑如下的线性关系式：

y＝β

对y与x1，x2，...，xk同时作n次独立观察得n组观测值(xt1，xt2，...，xtk)，t＝1，2，...，n(n＞k+1)，它们满足关系式：

y＝β

其中，ε

为了用矩阵表示上式，令：

于是有Y＝Xβ+ε，

使用最小二乘法得到β的解

其中，

(X

称为X的伪逆。

本发明的工作原理及使用流程：

第一步、绘制3D数模，并建立有限元素模型：通过UG软件对摩擦搅拌焊接的结构3D数模进行建设，并且通过3D数模建立有限元素模型，并且对各项物理性能数据进行导入；

第二步、通过有限元素模型导出摩擦搅拌焊接的各种数据参数：通过在模型上模拟焊头与待焊区域接触，并施加一恒定力量于焊头，观察焊接结构变化，并且将摩擦焊接的各种数据参数进行输出；

第三步、将输出的各项参数输入到塌陷量缺陷预测模型中进行数据分析：通过S2中的数据参数输入到塌陷量缺陷预测模型，通过数据信息进行分析，进而得出摩擦焊接过程中可能发生的塌陷量和缺陷的情况预测；

第四步、在对结构进行摩擦焊接处理：通过S3中的塌陷量和缺陷的情况预测的结果进行避免，然后对结构焊接处进行摩擦焊接。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。