基于OCr15Ni5Cu2Ti框架结构的计算机仿真焊接方法

技术领域

本发明涉及计算机模拟仿真焊接方法，尤其是涉及基于OCr15Ni5Cu2Ti框架结构的计算机仿真焊接方法。

背景技术

框架结构是工厂企业常遇到的焊接结构，对焊接变形、应力分布在焊前做出预测是这类焊接生产中最有价值(或最重要)的工作。OCr15Ni5Cu2Ti是一种新型的航空用不锈钢材料，其良好的机械性能和焊接性能使其成为重要的航空用材料。但是，焊接是一个涉及许多学科的复杂的物理—化学过程，其间涉及的变量因素数目繁多；如电磁效应、电弧的热能和压力分布、熔池形态、气化等。如果在焊接中用试加工试验来获取焊接变形、应力分布等工艺参数则成本太高，因此有必要在焊前进行焊接过程的计算机仿真，并且在焊接仿真中应当考虑以实际环境中主要因素建立数学模型，减化这一框架结构件的焊接过程，使仿真逼进实际过程，否则，会造成焊接仿真的资源成本太高，甚至仿真结果不收敛的现象。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于OCr15Ni5Cu2Ti框架结构的计算机仿真焊接方法，达到降低对所述焊接结构件的焊接有限元仿真过程的复杂性，以利于实际应用及推广普及。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述基于OCr15Ni5Cu2Ti框架结构的计算机仿真焊接方法，在计算机硬件平台上，使用市售的热力学有限元分析软件，对框架结构焊接过程进行虚拟加工，具体步骤如下：

第一步、针对焊缝区固相区弹塑性力学结构，选择热力学中的非线性随动弹塑性模型做为焊接零件的数学模型；非线性随动的参数按其材料进行设置；

第二步、提取焊缝区域的单元体编号，并按焊缝分段情况分组，按分组设置焊缝区数组，对焊缝区数组内的单元体提取单元体三维坐标，按实际焊接顺序依据三维坐标值对单元体进行排序；然后撤销焊缝区数组内单元体所有特性；最后按焊接顺序逐个恢复单元体特性，并同时对恢复特性的单元体施加热载荷，以此模拟焊缝从无到有的焊接过程；

第三步、以恢复特性的单元体为起点，沿已焊接完毕的焊缝方向，对长度在6mm-13mm内的所有单元体同时施加热载荷，被施加热载荷的单元称为载荷区；在载荷区内，对距起点每增加2mm的单元体，将其热载荷减少500焦耳-800焦耳；对移至载荷区外的单元体，删除其热载荷，以此模拟移动电弧热影响区。

所述第一步的非线性随动参数，其设置如下：

温度为30℃时，后继屈服强度1320MP_a，屈服后的切线弹模量20.6GP_a；

温度为300℃时，后继屈服强度1190MP_a，屈服后的切线弹模量20.6GP_a；

温度为500℃时，后继屈服强度1050MP_a，屈服后的切线弹模量17.0GP_a；

温度为1000℃时，后继屈服强度435MP_a，屈服后的切线弹模量2.0GP_a；

温度为1500℃时，后继屈服强度70MP_a，屈服后的切线弹模量0.1GP_a；

温度为1600℃时，后继屈服强度100P_a，屈服后的切线弹模量9e-8GP_a。

所述非线性随动参数适用于：零件材料的供应状态为经950℃固溶处理、室温屈服强度为1310MP_a、厚度为3mm～5mm 的OCr15Ni5Cu2Ti板材。

所述框架结构的长度为0.5m至2m，长度︰宽度≤5︰1；其焊缝宽度≤10毫m。

所述计算机仿真焊接的焊接类型为：氩弧焊、CO₂焊、手工电弧焊。

所述第二步中焊缝区域的单元体网格大小设置统一的固定值，单元体均匀分布；当框架结构的长度为0.5m至1m，则单元体大小设为1mm；当框架结构的长度为1m至1.5m，则单元体大小设为1mm-2mm；当框架结构的长度为1.5m至2m，则单元体大小设为1.5mm-3mm。

所述第三步对单元体施加的热载荷为：当焊接电流110A、起弧后电压为18V时，以恢复特性的单元体为起点，沿已焊接完毕的焊缝方向，对长度为6mm-8mm的载荷区内的单元体同时施加热载荷；当焊接电流130A、起弧后电压21V时，以恢复特性的单元体为起点，沿已焊接完毕的焊缝方向，对长度在8mm-13mm的载荷区内的单元体同时施加热载荷。

所述计算机硬件平台的最低配制为：CPU：四核，主频：2.5G Hz；内存：DDR2，频率：1333MHz，容量：4G；硬盘：不小于2T。

本发明优点在于解决了工厂企业在对OCr15Ni5Cu2Ti不锈钢材料的框架结构焊接仿真上的难题。本方法使用程序控制焊缝区的有限元模型，达到模拟焊接过程，对焊接变形和应力分布做出预测的目的，降低了对所述焊接结构件的焊接有限元仿真过程的复杂性。同时，模拟仿真焊接过程时间短，普通技术人员2-4天即可完成。同时，所使用的热力学有限元分析软件市场即可购得，计算机硬件水平为普通型微机，为焊接模拟仿真技术在工矿企业的实际应用及推广普及提供了方便。

附图说明

    图1是本发明计算机仿真焊接程序流程框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步的说明：

在配制不低于CPU：四核、主频2.5GHz；内存：DDR2、频率1333MHz、容量4G；硬盘：2T的计算机硬件平台上，使用市场销售的热力学有限元分析软件，对基于总长度为1m至2m、长宽比（或长高比）≤5︰1、零件厚度为3mm-5mm板材、，其焊缝宽（焊角高）不超过10mm、材料为OCr15Ni5Cu2Ti不锈钢的框架结构的焊接过程进行计算机模拟仿真，以得到焊接变形和焊接应力分布；计算机模拟仿真焊接类型为：氩弧焊、CO₂焊、手工电弧焊。其中零件材料为焊前经950℃固溶处理、室温屈服强度为1310MP_a、厚度为3mm-5mm的OCr15Ni5Cu2Ti板材。具体步骤如下：

第一步、针对焊缝区固相区弹塑性力学结构，选择热力学中的非线性随动弹塑性模型做为焊接零件的数学模型；非线性随动强化的参数，其设置如下：

温度为30℃时，后继屈服强度1320MP_a，屈服后的切线弹模量20.6GP_a；

温度为300℃时，后继屈服强度1190MP_a，屈服后的切线弹模量20.6GP_a；

温度为500℃时，后继屈服强度1050MP_a，屈服后的切线弹模量17.0GP_a；

温度为1000℃时，后继屈服强度435MP_a，屈服后的切线弹模量2.0GP_a；

温度为1500℃时，后继屈服强度70MP_a，屈服后的切线弹模量0.1GP_a；

温度为1600℃时，后继屈服强度100P_a，屈服后的切线弹模量9e-8GP_a；

第二步、提取焊缝区域单元体编号，并按焊缝分段情况分组，按分组设置焊缝区数组；

所有焊缝区域的单元体网格大小设置统一的固定值，单元体均匀分布；框架结构长度为1m至1.5m时，单元体大小设为1mm-2mm；框架结构长度为1.5m至2m，则单元体大小设为1.5mm-3mm；

第三步、对焊缝区数组内的单元体，提取单元体三维坐标；按实际焊接顺序，依据三维坐标值对单元体进行排序，以此模拟实际焊接顺序；撤销焊缝区数组内单元体所有特性；然后按焊接顺序逐个恢复单元体特性，并同时对恢复特性的单元体施加热载荷，以此模拟焊缝从无到有的焊接过程；

第四步、当焊接电流110A、起弧后电压18V时，则沿已焊接完毕的焊缝方向，以刚恢复特性的单元体为起点，对长度在6mm-8mm内的单元体同时施加热载荷，该6mm-8mm长度区域称为第一载荷区。当焊接电流130A、起弧后电压21V，则沿已焊接完毕的焊缝方向，以刚恢复特性的单元体为起点，对长度在8mm-13mm内的单元体同时施加热载荷，该8mm-13mm长度区域称为第二载荷区；

在第一、第二载荷区内，对距起点每增加2mm的单元体，将其热载荷减少500焦耳-800焦耳；对移至载荷区外的单元体，删除其热载荷，以此模拟移动电弧热影响区；

第五步、进行冷却过程分析。