基于晶体塑性焊接工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法

技术领域

本发明涉及材料疲劳失效技术领域，具体涉及一种基于晶体塑性焊接工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法。

背景技术

焊接工艺的出现使得大型零部件生产和工程应用成为可能。目前，焊接工艺越来越多地应用在各种行业中，然而工程实践与研究发现，在焊接构件中焊接接头位置常常是力学性能最薄弱的地方，更是疲劳裂纹萌生与失效的区域。因此，研究焊接工艺对力学性能的影响，尤其是对疲劳行为的影响是重要的科学问题并具有工程应用价值。

一直以来试验测试是研究焊接接头可焊性、可靠性与疲劳的基础方法，并且受限于试验条件和成本很难对焊接工艺与疲劳失效过程进行有效分析研究，尤其从材料微观层次进行应力应变分析与疲劳裂纹萌生扩展研究基本还未涉及到。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于晶体塑性焊接工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法解决了焊接工艺数值计算中无法考虑宏观-介观耦合行为和材料损伤及疲劳寿命预测的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于晶体塑性焊接工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：

S1、基于宏观模型尺寸与材料微观特征建立晶体塑性焊接计算网格模型；

S2、在晶体塑性焊接计算网格模型的基础上建立晶体塑性焊接工艺本构模型；

S3、基于晶体塑性焊接工艺本构模型评估损伤与疲劳寿命。

进一步地：所述步骤S1的具体步骤为：

S11、基于宏观模型尺寸与材料微观特征信息，通过图像像素离散技术生成焊接区域介观尺度下的晶粒晶核坐标信息；

S12、将晶粒晶核坐标信息利用Voronoi算法生成二维或三维晶体模型图；

S13、利用有限元网格划分软件将二维或三维晶体模型图按照焊接工艺宏观模拟要求生成介观Voronoi晶体塑性网格模型；

S14、通过Abaqus软件在介观Voronoi晶体塑性网格模型的基础上施加材料属性、焊接工艺参数及夹具约束信息创建网格模型；

S15、当网格模型验证合格时，输出该网格模型，否则修改晶粒晶核坐标信息，并返回步骤S12。

进一步地：所述材料微观特征信息包括SEM信息、EBSD信息和CT信息。

进一步地：所述步骤S2的具体步骤为：

S21、基于网格模型定义材料介观尺度晶粒参数；

S22、根据材料介观尺度晶粒参数建立全局坐标弹性矩阵；

S23、根据全局坐标弹性矩阵计算滑移系旋转增量和膨胀应变增量；

S24、构建求解线性和非线性方程的迭代算法并选择关键控制参数确保其收敛性；

S25、利用迭代算法通过滑移系旋转增量和膨胀应变增量求解第n步和第n+1步的剪切应变增量；

S26、通过第n步和第n+1步的剪切应变增量迭代计算一致线切刚度矩阵；

S27、当一致线切刚度矩阵收敛时，进入步骤S28，否则返回步骤S24；

S28、通过一致线切刚度矩阵建立本构模型；

S29、基于本构模型、焊接热源理论模型和宏观焊接工艺参数及约束条件下建立晶体塑性焊接工艺本构模型。

进一步地：所述步骤S29中的焊接热源理论模型包括中等能量焊接热源和高等能量焊接热源；

所述中等能量焊接热源q(x,y,z,t)的计算公式为：

上式中，f_f为椭球前端能量系数，a_f代表椭球半径，Q为总输入能量，b为熔池宽度，c为熔池深度，x，y和z分别为直角坐标系x,y和z轴上的参数，v为焊接速度，t为焊接时间，τ为滞后系数；

所述高能量焊接热源Q(x,y,z)的计算公式为：

上式中，r₀为几何参数，Q₀为总输入能量。

进一步地：所述步骤S3的具体步骤为：

S31、根据焊接接头特性建立焊接构件损伤模型；

S32、将焊接构件损伤模型集成到晶体塑性焊接工艺本构模型中，生成基于疲劳损伤与寿命评估的晶体塑性本构模型；

S33、通过基于疲劳损伤与寿命评估的晶体塑性本构模型和扩展有限元方法评估损伤与疲劳寿命。

进一步地：所述步骤S31中的焊接构件损伤模型包括焊接损伤变量和焊接损伤增量；

所述焊接损伤变量的计算公式为：

上式中，D_ij为焊接损伤变量，和分别为二次三次应变速率，n′为材料参数；

所述焊接损伤增量的计算公式为：

上式中，dD为焊接损伤增量，为应力状态参数，dt为时间增量，λ为材料参数，D为焊接损伤，β和m为材料敏感参数。

进一步地：所述步骤S32中基于疲劳损伤与寿命评估的晶体塑性本构模型N_f为：

上式中，G为剪切模量，W_s为单位面积表面能，v为速度，d为滑移带长度，为第α滑移系的临界剪切应力，Δτ^α为第α滑移系的临界剪切应力增量。

本发明的有益效果为：本发明解决了焊接工艺数值计算中无法考虑宏观-介观耦合行为和材料损伤及疲劳寿命预测问题，提供了更全面、更准确和革新的宏观-介观耦合计算焊接工艺模型与算法及介观尺度下材料损伤与寿命评估模型算法。本发明提出的介观模型是基于宏观尺寸和材料微观结构特征，利用Voronoi算法实现的，具有良好的兼容性和可移植性。同时，本发明提出的焊接工艺晶体塑性本构模型与计算方法考虑了晶体滑移系和晶间塑性应变对材料焊接工艺性能的影响。并在此基础上，建立了介观层次的焊接损伤与疲劳寿命评估模型。相关模型与算法的建立，可以从介观角度研究材料微观特征对焊接工艺性能的影响以及对焊接接头损伤与疲劳寿命的影响，通过宏观-介观耦合计算模型明确焊接工艺与材料性能演化过程关系，进一步确定焊接工艺对材料损伤与疲劳寿命的影响作用和程度，为研究材料损伤演化和疲劳失效过程提供重要的理论指导和技术支撑，具有重要的科学意义和工程应用价值。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明中宏观-介观模型示意图；

图3为本发明中晶体塑性焊接工艺计算结果示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，一种基于晶体塑性焊接工艺模型的损伤与疲劳寿命评估方法，包括以下步骤：

S1、基于宏观模型尺寸与材料微观特征建立晶体塑性焊接计算网格模型；具体步骤为：

S11、基于宏观模型尺寸与材料微观特征信息，通过图像像素离散技术生成焊接区域介观尺度下的晶粒晶核坐标信息；

S12、将晶粒晶核坐标信息利用Voronoi算法生成二维或三维晶体模型图；

S13、利用有限元网格划分软件将二维或三维晶体模型图按照焊接工艺宏观模拟要求生成介观Voronoi晶体塑性网格模型；

S14、通过Abaqus软件在介观Voronoi晶体塑性网格模型的基础上施加材料属性、焊接工艺参数及夹具约束信息创建网格模型；

S15、当网格模型验证合格时，输出该网格模型，否则修改晶粒晶核坐标信息，并返回步骤S12。

S2、在晶体塑性焊接计算网格模型的基础上建立晶体塑性焊接工艺本构模型；具体步骤为：

S21、基于网格模型定义材料介观尺度晶粒参数；

S22、根据材料介观尺度晶粒参数建立全局坐标弹性矩阵；

S23、根据全局坐标弹性矩阵计算滑移系旋转增量和膨胀应变增量；

S24、构建求解线性和非线性方程的迭代算法并选择关键控制参数确保其收敛性；

S25、利用迭代算法通过滑移系旋转增量和膨胀应变增量求解第n步和第n+1步的剪切应变增量；

S26、通过第n步和第n+1步的剪切应变增量迭代计算一致线切刚度矩阵；

S27、当一致线切刚度矩阵收敛时，进入步骤S28，否则返回步骤S24；

S28、通过一致线切刚度矩阵建立本构模型；

S29、基于本构模型、焊接热源理论模型和宏观焊接工艺参数及约束条件下建立晶体塑性焊接工艺本构模型。

焊接热源理论模型包括中等能量焊接热源和高等能量焊接热源；

所述中等能量焊接热源q(x,y,z,t)的计算公式为：

上式中，f_f为椭球前端能量系数，a_f代表椭球半径，Q为总输入能量，b为熔池宽度，c为熔池深度，x，y和z分别为直角坐标系x,y和z轴上的参数，v为焊接速度，t为焊接时间，τ为滞后系数；

所述高能量焊接热源Q(x,y,z)的计算公式为：

上式中，r₀为几何参数，Q₀为总输入能量。

S3、基于晶体塑性焊接工艺本构模型评估损伤与疲劳寿命，具体步骤为：

S31、根据焊接接头特性建立焊接构件损伤模型；焊接构件损伤模型包括焊接损伤变量和焊接损伤增量；

所述焊接损伤变量的计算公式为：

上式中，D_ij为焊接损伤变量，和分别为二次三次应变速率，n′为材料参数；

所述焊接损伤增量的计算公式为：

上式中，dD为焊接损伤增量，为应力状态参数，dt为时间增量，λ为材料参数，D为焊接损伤，β和m为材料敏感参数。

S32、将焊接构件损伤模型集成到晶体塑性焊接工艺本构模型中，生成基于疲劳损伤与寿命评估的晶体塑性本构模型；基于疲劳损伤与寿命评估的晶体塑性本构模型N_f为：

上式中，G为剪切模量，W_s为单位面积表面能，v为速度，d为滑移带长度，为第α滑移系的临界剪切应力，Δτ^α为第α滑移系的临界剪切应力增量。

S33、通过基于疲劳损伤与寿命评估的晶体塑性本构模型和扩展有限元方法评估损伤与疲劳寿命。

基于宏观模型尺寸如图2(a)所示，任意取出焊缝处一块区域如图中线框所示，建立晶体塑性焊接工艺计算的网格模型如图2(b)所示。

计算面向面心立方金属材料晶体塑性基焊接工艺与损伤及疲劳裂纹扩展，结果如图3所示。图3(a)为介观尺度应力分布示意图，图3(b)为介观尺度塑性应变示意图，图3(c)为疲劳裂纹萌生与扩展示意图。

从图3中可以看出在焊接过程可以从介观层次分析晶粒应力应变演化和疲劳裂纹扩展行为，宏观-介观耦合分析探索焊接工艺对晶粒属性的影响，为材料可焊性、可靠性和疲劳失效机理的研究提供理论依据。