[发明专利]一种基于ABAQUS的超声喷丸矫正焊接变形的有限元模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及到焊接领域中超声喷丸矫正焊接结构残余变形的有限元模拟方法，更具体地讲，涉及到一种利用Abaqus有限元模拟软件模拟超声喷丸矫正焊接变形的方法。

背景技术

铝合金在航空航天、汽车制造、船舶、容器等领域有着广泛的应用，是公认的理想的的轻量化材料。近年来，随着国防工业中的结构件对减重、力学性能和其他技术指标的要求，大量的轻量化结构，如铝合金焊接结构得到越来越广泛的应用。

由于焊接是一个局部加热过程，结构各处温度极不均匀，因此膨胀和收缩变形也差别很大，焊后容易产生残余应力和变形。对于铝合金薄板焊接结构，由于结构刚度小，失稳临界应力低，更容易发生焊后失稳而产生波浪变形，严重影响结构的制造精度和使用性能。因此控制和矫正薄壁构件焊后的失稳变形成为影响薄壁焊接结构使用的一个关键问题。目前常采用预拉伸法、随焊锤击法、静态和动态温差拉伸法、随焊冲击碾压法、随焊旋转挤压等方法来矫正焊接失稳变形。这些方法能在一定程度上控制和减小焊接变形，但都存在种种不足。近年来由天津大学王东坡教授等人研发的超声喷丸装置体积小、重量轻、效率高、操作简单、适用性强，在应用于焊接残余变形的矫正工作方面取得了不错的成果，已逐渐发展成为一种新型有效的焊后矫形方法（相关专利：CN102601167A）。

但喷丸过程由于机理复杂以及诸多可变因素的影响，使得在优化喷丸工艺参数上有很大困难。单纯依靠实验数据和操作经验采用试喷的方法，耗时费资。因此有限元模拟方法被引入来辅助超声喷丸矫形工艺参数的选择，并通过分析应力应变和变形的变化来解释矫形的机理。

国际上以及国内关于喷丸问题的数值模拟已有了大量研究。但大多数都是针对喷丸介质为丸粒的模型，研究其喷丸参数对残余应力及成形和强化的影响，很少有对喷丸矫形模拟方面的研究。喷丸矫正焊接变形的有限元模拟必须要在焊接应力和变形的基础上进行喷丸。目前喷丸过程的模拟一般针对于没有初始应力的试件，还没有关于在焊接预应力和预变形基础上进行喷丸的研究。关于焊接过程的模拟为非线性过程模拟，是隐式计算过程，喷丸过程为高速冲击过程，为动态计算过程。要进行焊接后喷丸矫形，必须先进行隐式计算，获得节点位移，然后将隐式过程转化为显示过程，读入节点位移文件对构件进行应力初始化。

目前常用来模拟喷丸过程的有限元软件为ANSYS/LS-DYNA和ABAQUS。但对于模拟喷丸矫形过程，ABAQUS能更为准确方便地读入焊接变形网格和应力，因此采用ABAQUS软件，使用其Standard模块和Explicit模块分别进行焊接和喷丸过程的模拟。

发明内容

本发明的目的在于克服现有数值模拟的不足，考虑到喷丸过程机理的复杂以及诸多可变因素的影响，使得在优化喷丸工艺参数上有很大困难，单纯依靠实验数据和操作经验采用试喷的方法耗时费资等局限，从而引入基于ABAQUS的有限元模拟方法来辅助超声喷丸矫形工艺参数的选择，并通过分析应力应变和变形的变化来解释矫形的机理。

本发明的目的通过下述技术方案予以实现：

采用有限元软件ABAQUS首先对一定尺寸的铝合金薄板焊接过程进行模拟，获得焊接残余应力和变形的分布，然后读入应力和变形网格，在焊接应力和变形的基础上进行喷丸矫形过程的模拟计算。

焊接过程计算采用Standard求解器，喷丸过程采用Explicit求解器，因此必须采用多步计算分析法，将焊接过程的计算结果作为下一步的预加载场，读入焊接应力和变形网格，随后进行矫形计算。具体分为以下步骤：

（1）焊接过程模拟

首先模拟焊接温度场，读入焊接温度场的结果作为热载荷来进行应力场的计算，获得焊接残余应力和变形。在载荷步设置中应当设置重启动信息。

（2）过渡步计算

由于焊接应力场计算结果中有温度变量，不能直接导入喷丸过程的动态计算中，因此需要一步静力学计算作为过渡，读入焊接应力和变形的结果。具体实现方法为：1）导入焊接变形网格作为part，重新进行装配和设置材料力学性能属性；2）载荷步可设置为很短的时间，本文采用了10^-4s，设置重启动信息；3）边界条件设置同焊接应力场中边界条件的设置；4）通过在Initial步设置Initialstate，读入焊接应力场计算结果。

（3）喷丸矫形过程的计算

喷丸矫形是一个动态过程，首先读入步骤（2）中计算得到的应力场和变形网格，实现的方法同（2）中所介绍。读入应力场后开始进行喷丸过程的计算。