本发明公开了一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，基于有限元分析方法，首先采用热弹塑性瞬态耦合方法仿真了激光焊接过程和自然冷却过程，然后采用预定义物理场的方法将自然冷却后的物理状态加载至拉伸模型，对焊缝区、热影响区及母材分别赋予不同的材料属性，最后采用显示动力学方法分析了拉伸过程。本发明公开的仿真方法可仿真激光焊接接头的拉伸试验，充分分析了焊接冷却后的物理场及不同区域材料属性的不一致对拉伸结果的影响，计算结果更准确，可仿真计算各种形貌的激光焊接头的拉伸强度。
1.一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)焊接、冷却分析：
①导入网格模型：将网格模型导入到非线性有限元分析软件中；
②更改网格属性：将导入的网格属性设置为隐式求解器下的温度‑位移耦合单元；
③赋予材料属性：将所有单元赋予相同的各向同性材料属性；
④设置分析步：设置焊接过程和冷却过程的分析步，均为隐式瞬态热力耦合分析；
⑤设置载荷、边界条件：在整个网格模型上加载热源载荷，距焊缝一定距离处对部分节点做全约束；
⑥求解分析：对上述设置进行提交计算，获取求解结果；
①导入网格模型：导入网格模型至非线性有限元分析软件中；
②更改网格属性：将导入的网格属性设置为显式求解器下的温度‑位移耦合单元；
③赋予材料属性：分别对焊缝区、热影响区及母材赋予相应的材料属性；
④设置分析步：设置拉伸过程的分析步为显式动力学分析；
⑤设置预定义物理场、边界条件：将步骤(1)中最终的求解结果以预定义物理场的方式加载至拉伸网格模型，将拉伸网格模型的一端全约束，另一端设置位移边界，即单侧拉伸；
⑥求解分析：对上述设置进行提交计算，获取仿真结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，其特征在于，所述的网格模型采用过渡网格的划分方法。
3.根据权利要求1所述的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，其特征在于，所述的网格模型被划分为六面体网格。
4.根据权利要求3所述的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，其特征在于，所述六面体网格内部的应力采用的是梯度算法，单元内部存在多个应力、应变积分点，用于准确描述应力应变梯度变化的区域。
5.根据权利要求1所述的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，其特征在于，所述非线性有限元分析软件为ABAQUS。
6.根据权利要求1所述的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，其特征在于，所述的步骤(1)与步骤(2)导入的网格模型为同一网格模型。
7.根据权利要求1所述的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，其特征在于，所述的步骤(1)与步骤(2)中的赋予材料属性步骤中，所述材料属性包括随温度变化的弹性模量、泊松比、热传导系数、热膨胀系数、塑性参数、比热及密度。
8.根据权利要求1所述的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的设置预定义物理场、边界条件步骤中，其中将步骤(1)中最终的求解结果以预定义物理场的方式加载至拉伸网格模型，即为将步骤(1)最终求解的应力应变的物理状态作为步骤(2)的初始状态。
9.根据权利要求1所述的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的设置载荷、边界条件步骤中，使用的热源模型为双椭球热源，利用有限元分析软件设置双椭球热源子程序，双椭球热源子程序中采用公式为：f1+f2＝2
其中，f1、f2为系数，q1、q2为功率，a1、a2分别为前、后半椭球x方向的半轴长，b、c分别为前、后半椭球y、z方向的半轴。
10.根据权利要求9所述的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，其特征在于，所述前半椭球y、z方向的半轴b的长度等于所述后半椭球y、z方向的半轴c的长度。
一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法
技术领域
[0001] 本发明属于仿真方法技术领域,特别是一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法。
背景技术
[0002] 激光焊接即从激光器出射的光束经过聚焦系统，使光束形成聚焦光斑，待焊接工件置于距焦点有一定距离的离焦位置，在功率密度分布相对均匀的高能束激光作用下，待焊接工件达到熔点而形成熔融状态，待自然冷却后便连接为一体。激光焊接作为一种连接方法，因其效率高，材料利用率高，接头密封性好，抗腐蚀性强等优点而被广泛应用于工业生产的许多领域上，如航空航天领域，汽车行业，船舶行业等。
[0003] 根据焊缝形貌不同，焊缝可分为熔透、未熔透、宽焊缝及窄焊缝，不同焊缝的组织性能、塑性变形及残余应力等对焊缝强度均有影响，因此通过拉伸试验评判不同焊缝的强度尤为重要。要完成一项焊接接头拉伸实验，需要的步骤包括试样切割、焊接、冷却、拉伸，尤其焊接过程需要调试，因此需要花费较长的时间，若要分析不同形貌焊缝的强度，则需要重复上述步骤。采用仿真的方法可以对不易观察到的拉伸试验现象进行模拟，且仿真耗时较短。目前针对焊接接头拉伸的仿真方法一般类似于《301L搭接激光焊接接头拉伸过程的弹塑性演变及断裂数值分析》一文所述，建立焊接试样网格模型，赋予材料属性，设置位移边界，进行静力学或动力学计算，这种仿真方法没有引入焊接后的残余应力、塑性应变等因素的影响，致使焊接试样的初始物理状态与实际存在一定偏差。
发明内容
[0004] 本发明的目的是解决上述现存问题，提供一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，引入了焊接冷却后的物理场对拉伸结果的影响，焊接试样的初始物理状态更符合实际，计算结果更准确。
[0005] 本发明的技术解决方案如下：
[0006] 基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤(1)焊接、冷却分析：
[0008] ①导入网格模型：将网格模型导入到非线性有限元分析软件中；
[0009] ②更改网格属性：将导入的网格属性设置为隐式求解器下的温度‑位移耦合单元；
[0010] ③赋予材料属性：将所有单元赋予相同的各向同性材料属性；
[0011] ④设置分析步：设置焊接过程和冷却过程的分析步，均为隐式瞬态热力耦合分析；
[0012] ⑤设置载荷、边界条件：在整个网格模型上加载热源载荷，距焊缝一定距离处对部分节点做全约束；
[0013] ⑥求解分析：对上述设置进行提交计算，获取求解结果；
[0014] 步骤(2)拉伸分析：
[0015] ①导入网格模型：导入网格模型至非线性有限元分析软件中；
[0016] ②更改网格属性：将导入的网格属性设置为显式求解器下的温度‑位移耦合单元，显示求解器不需要进行平衡迭代，计算速度快且易收敛；
[0017] ③赋予材料属性：分别对焊缝区、热影响区及母材赋予相应的材料属性；
[0018] ④设置分析步：设置拉伸过程的分析步为显式动力学分析；
[0019] ⑤设置预定义物理场、边界条件：将步骤(1)中最终的求解结果以预定义物理场的方式加载至拉伸网格模型，将拉伸网格模型的一端全约束，另一端设置位移边界，即单侧拉伸；
[0020] ⑥求解分析：对上述设置进行提交计算，获取仿真结果。
[0021] 进一步的，所述的网格模型采用过渡网格的划分方法，减少网格数量，提高计算速度，划分为六面体网格，利用六面体网格内部的应力梯度算法计算焊缝形貌。
[0022] 进一步的，所述六面体网格内部的应力采用的是梯度算法，单元内部存在多个应力、应变积分点，用于准确描述应力应变梯度变化的区域。
[0023] 进一步的，所述非线性有限元分析软件为ABAQUS。
[0024] 进一步的，所述的步骤(1)与步骤(2)导入的网格模型为同一网格模型，保证导入的预定义物理场的准确性。
[0025] 进一步的，所述的步骤(1)与步骤(2)中的赋予材料属性步骤中，所述材料属性包括随温度变化的弹性模量、泊松比、热传导系数、热膨胀系数、塑性参数、比热及密度。
[0026] 进一步的，所述的步骤(2)中的设置预定义物理场、边界条件步骤中，其中将步骤(1)中最终的求解结果以预定义物理场的方式加载至拉伸网格模型，即为将步骤(1)最终求解的应力应变的物理状态作为步骤(2)的初始状态。
[0027] 进一步的，所述的步骤(1)中的设置载荷、边界条件步骤中，使用的热源模型为双椭球热源，利用有限元分析软件设置双椭球热源子程序，双椭球热源子程序中采用公式为：
[0028]
[0029]
[0030] f1+f2＝2
[0031] 其中，f1、f2为系数，q1、q2为功率，a1、a2分别为前、后半椭球x方向的半轴长，b、c分别为前、后半椭球y、z方向的半轴。
[0032] 进一步的，所述前半椭球y、z方向的半轴b的长度等于所述后半椭球y、z方向的半轴c的长度。
[0033] 本发明的优点是：
[0034] 1.对拉伸试样赋予了焊接、冷却后的残余应力、塑性应变等物理特性，使得拉伸试样的初始物理状态与实际更相符，计算结果更准确。
[0035] 2.加载预定义物理场的同时赋予了拉伸试样焊缝形貌。
附图说明
[0036] 下面结合附图，通过对本申请的具体实施方式详细描述，将使本申请的技术方案及其它有益效果显而易见。
[0037] 图1是本发明的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法流程图。
[0038] 图2是本发明的网格模型的结构示意图。
[0039] 图3是本发明的未赋予残余应力、塑性应变等物理特性的拉伸塑性应变分布。
[0040] 图4是本发明的赋予了残余应力、塑性应变等物理特性的拉伸塑性应变分布。
具体实施方式
[0041] 下面参考附图并结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0042] 本发明公开了一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法，基于有限元分析方法，首先采用热弹塑性瞬态耦合方法仿真了激光焊接过程和自然冷却过程，然后采用预定义物理场的方法将自然冷却后的物理状态加载至拉伸模型，对焊缝区、热影响区及母材分别赋予不同的材料属性，最后采用显示求解器分析了拉伸过程。
[0043] 具体的，先请参阅图1，图1是本发明提供一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法流程图，包括以下步骤：
[0044] 步骤(1)焊接、冷却分析：
[0045] ①导入网格模型：对几何模型进行网格划分，划分后网格模型如图2，分为上下两板、焊缝区和热影响区，运用了过渡网格划分方法以减少网格数量，所有网格均为六面体，因六面体网格内部的应力采用的是梯度算法，将网格模型导入到非线性有限元分析软件中。六面体网格内部存在多个应力、应变积分点，可用于准确描述应力应变梯度变化的区域；六面体网格即字面意思，六个面八个节点的实体单元。实体单元有六面体单元和四面体单元。“单元”与“网格”一个意思。所述非线性有限元分析软件为ABAQUS。
[0046] ②更改网格属性：将导入的网格属性设置为隐式求解器下的温度‑位移耦合单元，因该分析过程采用的是瞬态热弹塑性耦合分析，则网格单元必须具有相对应的物理属性。
[0047] ③赋予材料属性：将所有单元赋予相同的各向同性材料属性，材料属性包括一系列随温度变化的弹性模量、泊松比、热传导系数、热膨胀系数、塑性参数、比热及密度等，因该分析过程中温度变化较大，最高温度在1000度以上，在温度变化较剧烈的情况下，必须加载不同温度下的材料属性。
[0048] ④设置分析步：设置焊接过程和冷却过程的分析步，均为隐式瞬态热力耦合分析，焊接过程的分析时间根据焊接路径总长和焊接速度二者进行计算，冷却过程的分析时间以模型温度降至室温为标准。
[0049] ⑤设置载荷、边界条件：在整个网格模型上加载热源载荷，实施例中使用的热源模型为双椭球热源，利用有限元分析软件的二次开发功能开发双椭球热源子程序，双椭球公式为：
[0050]
[0051]
[0052] f1+f2＝2
[0053] 其中，f1、f2为系数，q1、q2为功率，a1、a2分别为前、后半椭球x方向的半轴长，b、c分别为前、后半椭球y、z方向的半轴。
[0054] 一般f1取值2/3，f2取值4/3；前、后半椭球y、z方向的半轴长一致，即所述前半椭球y、z方向的半轴b的长度等于所述后半椭球y、z方向的半轴c的长度，b＝c。
[0055] 在距焊缝一定距离处，即焊接过程的夹具所在位置对部分节点做全约束；
[0056] ⑥求解分析：对焊接、冷却过程创建分析任务并提交计算，获取求解结果，对求解结果进行分析；
[0057] 步骤(2)拉伸分析：
[0058] ①导入网格模型：将步骤(1)中的网格模型加载至非线性有限元分析软件中，使用同一个网格模型可保证后续预定义物理场的加载结果与步骤(1)的最终分析结果完全一致；
[0059] ②更改网格属性：将导入的网格属性设置为显式求解器下的温度‑位移耦合单元，因显式求解器不需要进行平衡迭代，相较于隐式动力学分析其求解速度更快且易收敛；
[0060] ③赋予材料属性：在网格划分时已对焊缝区、热影响区及母材做了区分，三部分区域由试验测试确定，分别选中三个区域相应的网格并赋予相对应的材料属性，如弹性模量、塑性参数及密度等，因经过焊接、冷却过程后，焊缝区和热影响区的材料属性已发生了变化，分别赋予相对应的材料属性后计算结果更准确；
[0061] ④设置分析步：设置拉伸过程的分析步为显式动力学分析，在保证计算结果不失真的前提下设置质量放大系数以提高计算速度；
[0062] ⑤设置预定义物理场、边界条件：将步骤(1)中最终的求解结果以预定义物理场的方式加载至拉伸网格模型，即为将步骤(1)最终求解的应力应变的物理状态作为步骤(2)的初始状态，亦即将步骤(1)中结果文件包含的全部信息均赋值于拉伸网格模型，则步骤(2)的初始物理状态为步骤(1)的最终物理状态，将拉伸网格模型的一端全约束，另一端设置位移边界，即单侧拉伸；
[0063] ⑥求解分析：对拉伸过程创建分析任务并提交，获取仿真结果，查看塑性应变分布如图3所示，塑性应变(PEEQ)的平均值(Avg)为75％，热影响区塑性应变(PEEQ)最大，最大值(Max)为0.7978，该区域最易发生断裂。
[0064] 图4是没有赋予焊接、冷却后残余应力、塑性应变等物理特性的试样拉伸仿真的塑性应变分布，最大值为0.5924，小于图3的最大值，所计算结果低估了断裂危险性。
[0065] 本发明公开的焊接接头拉伸试验仿真方法，对焊接试样加载了焊接、冷却后非均匀分布的残余应力和塑性应变等物理特性，仿真模型更符合实际，计算的结果与实际更相符。
[0066] 以上对本申请实施例所提供的一种基于拉伸断裂评价的激光焊接接头强度仿真分析方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例的技术方案的范围。
