TCWAN 0063-2023 焊接数值模拟热弹塑性有限元方法

ICS25.160.01CCSJ33团体标准T/CWAN0063—2023焊接数值模拟热弹塑性有限元方法Numericalweldingsimulation-Thermalelastic-plasticfiniteelementmethod2023-12-27发布2024-02-01实施中国焊接协会发布T/CWAN0063—2023I目次前言....................................................................................................................................................................II1范围.....................................................................................................................................................................12规范性引用文件................................................................................................................................................13术语和定义........................................................................................................................................................14基本流程.............................................................................................................................................................25一般要求.............................................................................................................................................................26焊接仿真分析模型建立规则............................................................................................................................27求解器设置........................................................................................................................................................78仿真结果评估....................................................................................................................................................79仿真分析报告....................................................................................................................................................8附录A（规范性）基于热弹塑性法焊接数值模拟流程图................................................................................9附录B（资料性）文档模板...............................................................................................................................10附录C（资料性）对接接头MAG焊接的变形模拟仿真报告.......................................................................11T/CWAN0063—2023II前言本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国焊接协会提出并归口。本文件起草单位：江苏徐工工程机械研究院有限公司、郑州机械研究所有限公司、哈尔滨职业技术学院、河南科技大学、中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司、中信重工机械股份有限公司、青岛海尔空调器有限总公司、哈尔滨电机厂有限责任公司、上海航天精密机械研究所、上海工程技术大学、北京星航机电装备有限公司、南昌航空大学。本文件主要起草人：张立平、蹤雪梅、龙伟民、张贵芝、郝双双、魏世忠、孟政宇、滕彬、武汉琦、邹吉鹏、杨帆、宋玉军、徐殿鑫、彭赫力、彭根琛、秦建、纪昂、武鹏博、樊喜刚、张天理、郭鹏、张体明、于华、方乃文。T/CWAN0063—20231焊接数值模拟热弹塑性有限元方法1范围本文件规定了基于热弹塑性有限元方法的焊接数值模拟一般要求、仿真建模规则、求解器设置、仿真分析报告等内容。本文件适用于基于热弹塑性有限元方法的焊接结构件熔化焊焊接变形及焊接残余应力的焊接数值模拟。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T3651金属高温导热系数测量方法GB/T4338金属材料高温拉伸试验方法GB/T4339金属材料热膨胀特征参数的测定GB/T22315金属材料弹性模量和泊松比试验方法GB/T25846工业用γ射线密度计GB/T31054机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语GB/T33582机械产品结构有限元力学分析通用规则NB/SH/T0632比热容的测定差示扫描量热法T/CWAN0009焊接术语熔化焊ISO/TS18166焊接数值模拟执行和文档(Numericalweldingsimulation-Executionanddocumentation)3术语和定义GB/T31054、GB/T33582、T/CWAN0009和ISO/TS18166界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1热源模型heatsourcemodel熔化焊接热能特征及其与工件作用后在工件上分布的数学表示。3.2热弹塑性有限元方法thermalelastic-plasticfiniteelementmethodT/CWAN0063—20232一种焊接变形数值模拟方法，其原理是首先进行焊接热分析，得到焊接结构的瞬态温度场，并以此结果进行焊接应力和变形的计算。3.3双椭球热源模型doubleellipsoidalheatsourcemodel焊接热源在工件上呈前后两个半椭球分布的数学表示。3.4生死单元birth-deathelement一种模拟焊缝填充的方法，其原理是在焊道未填充之前，将代表焊道的单元材料性能乘以一个较小的比例系数，当焊道填充之后，单元材料属性恢复到真实值。4基本流程热弹塑性法焊接数值模拟的基本流程主要包括有限元模型建立、模型求解、结果评估、仿真方案制定实施及报告编写，具体参见附录A。5一般要求有限元模型分析前应符合下述要求：——应按照GB/T33582附录B规定选择单位制，质量单位选择吨，长度单位选择毫米，时间单位选择秒，温度单位选择摄氏度或开[尔文]，模型材料属性单位应与几何模型单位一致；——应选笛卡尔直角坐标系，当边界条件中有力或者约束与全局坐标系不一致时，可增加局部坐标系；——焊接结构件CAD模型应结构完整，装配关系清晰明了；——焊接仿真宜选用具备三维建模、网格划分等前处理，热结构耦合求解及可视化后处理功能的一个或多个软件进行。6焊接仿真分析模型建立规则6.1几何模型简化6.1.1几何模型简化应符合准确性和经济性两个原则。准确性是指应保留分析对象主要特征，以保证受力特性不变。经济性是指应用较小分析成本取得足够精度的计算结果。6.1.2焊接仿真分析的几何模型简化原则：——应对模型进行干涉检查，避免模型中存在干涉；——应忽略对焊接变形影响较小且不重要的零件，如吊耳、安装板、固定板等；——应删除各个零件上的圆角、退刀槽、凸台、无焊缝填充的倒角等细节特征；——应删除各零件上孔径与结构件尺寸比值小于1%的孔及安装孔；——应简化不规则的截面形状；——在钝边不大于2mm或者要求单面焊双面成型的情况下，带钝边倒角应修改成尖角，如图1所T/CWAN0063—20233示；——将模型导入前处理软件中，应消除模型的自由边，并检查模型的干涉情况；——应修补模型的破面，合并距离很近的边及节点。图1钝边的简化6.2有限元网格划分6.2.1建立焊接仿真分析模型时宜选择三维六面体单元。6.2.2建立焊接仿真分析模型时宜选用低阶单元。6.2.3应对焊缝及热影响区的位置进行网格细化，网格尺寸控制在2mm～3mm，或者熔池截面上有3～4个网格，并采用如图2所示的1:3或1:2的网格过渡形式，降低远离焊缝位置的网格数量。6.2.4网格可按图3划分，分为热影响区Ⅰ、网格过渡区Ⅱ及母材区Ⅲ，其中热影响区的宽度a1取max(b，9mm)，网格可多次过渡。图2网格过渡形式图标引序号说明：①——坡口区域；Ⅰ——热影响区；Ⅱ——网格过渡区；Ⅲ——母材区；a1——热影响区宽度；a2——过渡区宽度；a3——母材宽度；b——板厚。图3模型分块情况图6.2.5在厚度方向上应确保2层以上的实体单元网格。6.2.6对于低阶实体单元，焊缝位置处网格长宽比应不大于5。6.3材料模型建立6.3.1用于焊接仿真分析的材料热物理性能参数应包括热导率、比热容、密度、线膨胀系数、弹性模量、泊松比和屈服强度。泊松比为常数，屈服强度为温度及塑性应变的函数，其余的热物理性能参数T/CWAN0063—20234是关于温度的函数。6.3.2材料的屈服准则应选用Von-Mises屈服准则，材料进入塑性区后服从塑性流动准则和等向强化准则。6.3.3材料低温区间(0℃～600℃)的热物理性能参数按表1规定的方法和设备进行测量。材料高温区间(≥600℃)的热物理性能参数可通过数据外插拟合获得，也可通过具备材料性能计算功能的软件获得。6.3.4材料室温屈服强度≥890MPa的情况下，应考虑相变/热焓转变对焊接变形及残余应力的影响。表1材料热物理性能参数参数名测试方法参考标准测试设备热导率W/(m•K)直接通电纵向热流法GB/T3651管式防热炉、热电偶密度Kg/m3射线吸收量测定法GB/T25846放射性同位素密度计线膨胀系数1/K接触式示差法GB/T4339膨胀仪比热容/热焓转变J/(kg·C)差示扫描量热法NB/SH/T0632差示扫描量热仪弹性模量N/m2动态法GB/T22315共振测量装置屈服强度N/m2试样拉伸法GB/T4338高温拉伸试验机6.4热源参数定义6.4.1选择的热源模型应准确反映焊接过程中热