[发明专利]一种耐热钢焊接的残余应力预测方法

说明书

本发明提供了一种耐热钢焊接的残余应力预测方法，包括：步骤1、建立几何模型；步骤2、施加双椭球热源逐步进行温度场的计算；步骤3、进行组织场计算；步骤4、将马氏体相变产生的潜热作为内生热源加入到温度场计算中；步骤5、将得到的温度场作为预定义场，输入材料的力学性能参数，进行应力场的计算，计算时，计算马氏体相变引起的体积改变、屈服强度改变和相变塑性对应力场的影响。通过本发明的方法能实现在考虑马氏体相变的情况下，对耐热钢焊接过程中的温度‑组织‑应力场的多场耦合模拟，能通过模拟得到耐热钢焊接后构件上的残余应分布情况，分析考虑马氏体相变的耐热钢焊接残余应力，指导实际使用。

技术领域

本发明属于焊接数值模拟技术领域，尤其涉及一种耐热钢焊接的残余应力预测方法。

背景技术

焊接是一种常见的金属连接手段。在焊接过程中，由于温度、组织、约束条件等各因素的相互作用，不可避免的会出现焊后残余应力。焊接残余应力与裂纹的产生密切相关。此外，焊接残余应力在结构完整性评估、含缺陷焊接接头合于使用评价、高温部件蠕变性能研究等领域中都是重要的基础数据。因此，获得耐热钢焊接接头残余应力分布情况，对保证设备正常运行，修复已经出现裂纹的部件，保障工厂安全生产有重要意义。

常用的获得残余应力的方法有直接测量法和有限元模拟法。直接测量法获取的数值可信度较高，但测量费用一般比较昂贵、耗时较长，而且某些结构复杂的设备无法进行测量。有限元模拟法虽然得到的残余应力精度较低，但应用范围广泛、成本低、而且能够分析从焊接开始到结束的整个过程中温度场、组织场和应力场的演变情况。在传统的焊接有限元模拟中，往往只是利用热弹塑性理论，忽略了马氏体转变等固态相变对温度场和应力场的影响，这是应力精度值较低的一个主要原因。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种耐热钢焊接的残余应力预测方法，解决了传统焊接有限元模拟中，忽略了马氏体转变等固态相变对温度场和应力场的影响，导致应力精度值较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种耐热钢焊接的残余应力预测方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立耐热钢结构进行焊接的几何模型，输入材料的热物理参数和温度边界条件；

步骤2、在步骤1建立的几何模型上施加热载荷，逐步进行温度场的计算，其中用到用户子程序FILM和DFLUX；

步骤3、根据每个分析步中温度场的计算结果，利用自编用户子程序USDFLD进行组织场计算；

步骤4、根据组织场计算结果，利用用户子程序HETVAL将马氏体相变产生的潜热作为内生热源加入到温度场计算中；

步骤5、将步骤4得到的温度场作为预定义场，输入材料的力学性能参数，进行应力场的计算。计算时利用自编用户子程序UEXPAN和UHARD计算马氏体相变引起的体积改变、屈服强度改变和相变塑性对应力场的影响。

步骤1包括：

步骤1.1、在有限元软件ABAQUS中建立耐热钢焊接三维结构模型；

步骤1.2、对耐热钢焊接三维结构模型赋予材料属性；

步骤1.3、对耐热钢焊接三维结构模型进行网格划分；

步骤1.4、设置温度边界条件。

步骤1.3中，为了计算时兼顾时间和计算精度，网格划分采取焊缝和热影响区网格细化，远离焊缝和热影响区的网格相对粗化的办法，细化和粗化的网格之间采取过度网格进行连接。

步骤1.4中所述设置温度边界条件包括设置环境温度、设置对流换热系数、设置辐射换热系数；

对流传热系数按照下式取值：