一种复杂结构焊接有限元仿真方法

技术领域

本发明涉及焊接仿真技术领域，具体涉及一种复杂结构焊接有限元仿真方法。

背景技术

钛合金、铜合金、不锈钢等材质的管道结构件在石油化工、船舶、城市自来水管网等场合有很大的运用价值。但是由于工况条件的不同，复杂结构件往往需要多次拼接，导致结构件形状十分复杂。而复杂结构在生产过程中往往是用规则几何形状的对接零部件，采用不同的焊接方式进行焊接得到的。不同的焊接结构与焊接方法，对复杂结构件的变形有着严重的影响。对于石油化工以及船舶等存在高腐蚀性高压工作场合的结构件，通常需要更高的质量需求。焊接有限元仿真方法，可以通过技术手段，利用计算机设备对复杂结构件焊接后的质量情况（焊接变形、焊后应力与温度场的分布情况）进行评测，以优选出更好的焊接方法与结构方案。因此对于复杂结构件焊接仿真的需求也日益增加。

随着计算机性能的提升，有限元仿真技术在处理复杂结构焊接仿真时的效率也得到了一定增加。目前复杂结构有限元仿真常用建模方法有：完整模型仿真方法与多段结构顺序继承的仿真方法。完整模型仿真方法是指，在仿真前处理时建立结构的整体模型，接着在结构模型的接头位置处加载热源。多段结构顺序继承的仿真方法是指，在仿真前处理时，先建立一对需要相互焊接的结构，接着在结构接头处加载热源，再利用后处理结果继承的方法，在前一对结构焊接的结果上，再续接新的结构进行焊接仿真。相比完整模型仿真方法，多段结构顺序仿真方法更真实的模拟了复杂结构焊接的过程，具有较好的仿真精准度。现有的多段结构顺序仿真存在以下缺点：

1.现有多段结构传递仿真方法，在复杂焊接模型存在多个待焊接焊缝时，需要建立多个模型，导致计算次数增多，且容易出现计算不收敛的问题。

2.现有的错接结构焊缝建模方法，网格质量较差，导致仿真精度降低。

3.现有多段结构传递仿真方法，需要对前一道焊接的后处理结果进行重新处理，在焊后模型上再建立下一道焊接模型，该过程较复杂，显著增加了仿真难度，前处理时间占用较大。

4.现有多段结构传递仿真方法，无法保证焊接仿真的数值准确性。由于仿真过程中后处理结果是基于模型的节点信息进行传递的。在对焊接后处理结果的处理过程中，需要采用多个软件，各软件打开后处理结果文件时存在传递误差和数据遗失，并且模型建立完成后，节点信息可能发生改变，从而影响仿真精准度。

发明内容

为了避免现有技术的不足，针对焊接仿真和实际生产过程中的其他问题，本发明通过对复杂结构焊接仿真需求分析，提出了一种：降低复杂结构仿真次数，提高仿真精度，并采用分块放样技术建立错边焊缝模型，在仿真时能自动生成下一个待焊接结构的有限元仿真方法。

具体的，本发明提供了一种复杂结构焊接有限元仿真方法，包括如下步骤：

步骤1：通过实验观测的方法，对不同焊接热源的焊缝形貌进行分析与统计，建立实际热源模型数据库，在此基础上对仿真热源模型进行二次开发，使所述热源模型与实际焊接热源尺寸相接近；

步骤2：对复杂结构运用场合进行分析，删除非必要细节特征，将复杂结构模型简化为简单结构三维模型；

步骤3：将所述简单结构三维模型根据不同焊接结构参数，建立简单结构有限元仿真数值模型；

步骤4：采用不同的焊接方法与焊接结构参数，对所述简单结构有限元仿真数值模型进行仿真计算，对变形场、应力场，以及温度场进行分析，依据仿真结果优选出其运用场合下残余应力最小，焊接变形最小的最优的焊接方法与焊接结构参数；

步骤5：根据优选出的所述焊接结构参数，建立复杂结构三维模型；

步骤6：按照复杂结构的焊接顺序，利用python脚本以及软件Model change功能通过对网格单元信息进行处理，实现网格自动消隐与生成技术。

进一步的，步骤1中，所述对热源进行二次开发具体包括：

通过不同焊接类型与焊接结构参数进行焊接实验，并对实验后的焊缝形貌按高斯热源、椭球热源，以及复合热源等形式，进行分析统计，根据统计得到的结果进行数学公式拟合，再进行焊接热源模型二次开发，使得仿真时加载的热源与实际热源结果的尺寸误差不高于10%。

进一步的，所述焊接结构参数包括错边大小、间隙大小、坡口间隙。

进一步的，步骤6中，所述网格自动消隐与生成技术，具体包括：

按队列排序将不同焊接的结构进行消隐，当前一道次焊接完成后，再自动生成下一道次的焊接结构，实现复杂结构焊接仿真过程中，复杂结构的自动生成技术。

进一步的，步骤5中，在建立复杂结构三维模型时，将复杂模型整体建出，然后利用分块放样技术建立错边部分焊缝，对接部分采用普通过渡网格建模方法建立。

进一步的，所述利用分块放样技术建立错边部分焊缝，具体包括：

首先，通过不同的热源尺寸估算出所需的焊缝区域的网格尺寸，再用整个焊缝区域的长度除以单个焊缝区域网格的大小，以确定分块的层数，最后通过放样的方法将该部分的模型建立出来。

进一步的，步骤6，具体包括：

利用创建网格单元集功能，按照焊接顺序将各个待焊接结构与焊缝建立在不同的网格单元集当中；

建立三种不同的分析步分别为：消隐分析步、生成分析步、热源加载分析步。

进一步的，所述消隐分析步是指，在焊接开始时，将所有与当前焊接无关的结构进行消隐的分析步，分析步时间为1*10^-6秒至1*10^-2秒。

进一步的，所述生成分析步是指，在焊接时，生成结构所需网格的分析步，其网格内容包括，焊缝区域实时生成的网格单元，与前一道次结构焊接完成后，生成的下一道次的焊接结构，分析步时间为1*10^-6秒至1*10^-2秒。

进一步的，所述热源加载分析步是指，在焊接时，给焊缝区域加载热源的分析步，分析步时间为焊接总时间除以焊缝区域的层数。

本技术方案的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术方案而了解。本技术方案的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本技术方案的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术方案的实施例一起用于解释本技术方案，并不构成对本技术方案的限制。在附图中：

图1为本发明提供的复杂结构焊接有限元仿真方法的流程图；

图2为本发明中的热源模型；

图3为本发明中错边焊缝采用分块放样进行建立的效果图；

图4为本发明中E形管道焊接仿真效果图。

实施方式

以下结合附图对本技术方案的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本技术方案，并不用于限定本技术方案。

目前常用的仿真建模方法有：复杂结构整体建模，以及多段结构顺序继承的仿真方法进行建模两种。但是这两种方法在面对错位搭接、复杂过渡网格划分、多段结构焊接等问题上处理较困难，并且存在一定的仿真误差。

因此在传统复杂结构有限元仿真方法的基础上，本发明针对错位搭接结构的建模和网格划分难度大、复杂结构需要多段焊接的问题。依据分块放样的方式，建立错边焊缝模型。接着再利用网格自动消隐与生成技术，实现在仿真过程中结构的自动产生，减小了采用顺序仿真时产生的误差问题，提高了仿真精准度。

以下以复杂管道为例对本发明提供的仿真方法进行说明，

如图1所示，本发明实施例提供了一种复杂结构焊接有限元仿真方法，包括如下步骤：

步骤1：通过试验观测的方法，对不同焊接热源的焊缝形貌进行分析与统计，建立实际热源模型数据库，在此基础上对仿真热源模型进行二次开发，使热源模型与实际焊接热源尺寸接近，如图2。

上述二次开发过程具体包括，通过不同焊接类型与焊接结构参数进行焊接实验，并按高斯热源、椭球热源，以及复合热源等形式，进行分析统计，并对统计得到的结果进行数学公式拟合，使得仿真时加载的热源与实际热源结果的尺寸误差不高于10%。

步骤2：对复杂管道运用场合进行分析，删除圆角等细节特征将复杂管道模型简化为简单管道模型。

步骤3：根据不同焊接结构参数，包括错边大小、间隙大小、坡口间隙，建立简单管道对接模型。

其中，有错边的简单管道，为提高模型精度，便于后续网格控制，在错边焊缝处采用分块放样的方式，建立错边焊缝模型，具体可见图3。

步骤4：采用不同的焊接方法与焊接结构对简单管道对接模型进行仿真计算。对变形场、应力场，以及温度场进行分析。依据仿真结果优选出管道运用场合下残余应力最小，焊接变形最小的最优的焊接方法与焊接结构参数。

步骤5：根据优选出管道的焊接结构参数，包括错边大小、间隙大小、坡口间隙，建立复杂结构三维模型。

步骤6：按照复杂管道的焊接顺序，利用python脚本以及软件Model change功能通过对网格单元信息进行处理，实现网格消隐与生成技术。按队列排序将不同焊接的管道进行消隐，当前一道次焊接完成后，再自动生成下一道次的管道。实现复杂管道焊接仿真过程中，管道的自动生成技术。

上述步骤5至步骤6具体包括如下过程：

5-6a. 建模时将复杂模型整体建出，利用分块放样技术建立错边部分焊缝，对接部分采用普通过渡网格建模方法建立。

上述利用分块放样技术建立错边部分焊缝，具体包括：

首先先通过不同的热源尺寸预估出所需的焊缝区域的网格尺寸。再用整个焊缝区域的长度除以单个焊缝区域网格的大小，以确定分块的层数。最后通过放样的方法将该部分的模型建立出来。采用该方法的模型，其网格形状更规整，计算精度更高。

5-6b建立完成后利用创建网格单元集功能，按照焊接顺序将各个待焊接结构与焊缝建立在不同的网格单元集当中。

5-6c. 建立三种不同的分析步分别为：消隐分析步、生成分析步、热源加载分析步。

5-6c-a.上述消隐分析步是指，在焊接开始时，将所有与当前焊接无关的结构进行消隐的分析步。分析步时间为1*10^-6秒至1*10^-2秒。

5-6c-b. 上述生成分析步是指，在焊接时，生成结构所需网格的分析步。其网格内容包括，焊缝区域实时生成的网格单元，与前一道次结构焊接完成后，生成的下一道次的焊接结构。分析步时间为1*10^-6秒至1*10^-2秒。

5-6c-b. 上述热源加载分析步是指，在焊接时，给焊缝区域加载热源的分析步。其分析步时间为焊接总时间除以焊缝区域的层数。

如图4所示，以E形管道为例，通过该发明方法，可以在保留上道焊接仿真结果的基础上，再进行下一道仿真，并且管道实时生成，仿真精度更高，耗时更短。

与现有技术相比，本发明的技术效果主要有：

1.现有的复杂结构焊接仿真，每个焊缝都需要进行一次仿真，本发明可在一次仿真中，实现多次焊接仿真计算，提高仿真效率。

2.现有的焊接有限元建模方法，对错接结构的建模方面存在空白，本发明采用分块放样的方法，可以提高网格质量，使网格更平整，提高仿真精准度。

3.现有的整体建模方法，无法实现焊接结构的实时生成。本发明可适时自动生成焊接焊缝与下一道次待焊接结构，仿真精度高。

4.现有多段结构传递仿真方法，需要对前一道焊接的后处理结果进行重新处理，在焊后模型上再建立下一道焊接模型。本发明可一次建立完所有模型，建模效率高。

5.现有多段结构传递仿真方法，在对前一道焊接结果进行处理时，存在传递误差。本发明在仿真过程中实时生成待焊接结构，仿真精度高。

显然，本领域的技术人员可以对本技术方案进行各种改动和变型而不脱离本技术方案的精神和范围。这样，倘若本技术方案的这些修改和变型属于本技术方案权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术方案也意图包含这些改动和变型在内。