[发明专利]基于强度理论的焊接设计方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，涉及基于强度理论的焊接设计方法。

背景技术

在焊接过程中，不均匀的加热使得焊缝及其附近的温度很高，而焊缝远处的大部分金属不受热，这样，不受热的冷金属便阻碍了焊缝及近焊缝区金属的膨胀和收缩，冷却后，焊缝就产生了不同程度的收缩和内应力，这样也就是通常说的焊接残余应力。焊接形成的工件在工作时，焊接残余应力和工作载荷形成合成应力，其直接影响工件的承载能力和疲劳性能。

为满足焊接工件的产品质量要求，可以采用实际的焊接试验工件进行焊接调试，以设计出相对合理的焊接方法。但是，这样的设计调试过程时间长、工作量大、调试样件数量多、成本高。因此，在对工件焊接方法过程中，引入计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）进行仿真分析，以简化设计调试过程。

目前，在焊接设计过程中，采用二维壳单元进行焊缝的仿真分析，其将焊缝结构作为母材的一部分，没有考虑由于焊接过程中产生的残余应力。另外，目前的CAE分析方法只能对焊缝长度进行研究设计，无法分析焊接截面尺寸、焊接顺序等因素对工件的承载能力和疲劳特性。因此，目前的焊接设计方法分析不科学、不准确，容易导致其设计的焊接方法难以满足焊接工件的强度要求。

发明内容

本发明的目的之一在于，提出一种可优化焊接方法的焊接设计方法。

本发明的又一目的在于，有效降低焊缝的应力水平。

本发明的再一目的在于，简化焊接方法设计调试过程。

为实现以上目的或者其他目的，本发明提供一种基于强度理论的焊接设计方法，其中包括：

（1）实际测量步骤：

（1a）在采用既定焊接方法生产焊接工件的过程中，记录各焊缝在其相应的焊接过程中的实际温度变化曲线；

（1b）在所述焊接工件中确定焊缝作为焊接模拟件；

（1c）对所述焊接模拟件进行残余应力测量；

（2）对所述焊接模拟件进行计算机辅助工程（CAE）分析步骤：

（2a）对所述焊接模拟件应用三维立体单元建立CAE模型，调整热源参数使基于该CAE模型得到的所述焊接模拟件的模拟温度变化曲线与其对应的实际温度变化曲线基本相符合，并且使基于该CAE模型得到的所述焊接模拟件的模拟残余应力与步骤（1c）中测量的相应残余应力基本相符合；

（2b）基于该CAE模型获取所述焊接模拟件的微观断裂强度（σ_bw）；

（3）对整个焊接工件的CAE分析步骤：

（3a）将所述焊接模拟件的CAE分析方法扩展应用至整个焊接工件以建立所述焊接工件的CAE模型，按照焊接工序相应调整热源参数，使每个焊缝的模拟温度变化曲线与其对应的实际温度变化曲线基本相符合；

（3b）根据焊接工件的各部件的材料特性并基于所述焊接模拟件的微观断裂强度（σ_bw），得到各焊缝的微观断裂强度（σ_bw）；

（3c）基于所述焊接工件的CAE模型模拟施加工作载荷，至少将所述工作载荷和残余应力合成以获取每个焊缝所承受的最大应力（σ_max）；

（3d）每个焊缝的微观断裂强度（σ_bw）除以最大应力（σ_max）得到该焊缝的最小安全系数（N）；

（3e）判断每个焊缝的最小安全系数（N）是否落入该焊缝对应的安全系数范围，如果判断为否，则不对所述既定焊接方法进行改进，如果判断为是，则进入步骤（4）；

（4）改进相应焊缝的既定焊接方法以减小所述最大应力（σ_max），直至该焊缝的最小安全系数（N）落入该焊缝对应的安全系数范围。

按照本发明一实施例的焊接设计方法，在所述步骤（1c）中，对所述焊接模拟件进行拉力试验以测量出所述焊接模拟件的焊缝开裂载荷；在所述步骤（2b）中，基于该CAE模型进行模拟拉力试验，其中，设定拉力为所述焊缝开裂载荷时，模拟获取的焊接模拟件的应力即为所述焊接模拟件的微观断裂强度（σ_bw）。

按照本发明又一实施例的焊接设计方法，在所述步骤（3b）中，应用插值法得到各焊缝的微观断裂强度（σ_bw）。

按照本发明还一实施例的焊接设计方法，在建立CAE模型过程中，加入移动热源以建立所述焊接工件的温度场模型。

按照本发明再一实施例的焊接设计方法，其中，所述CAE模型为有限元分析（FEA）模型。