本發明涉及一種分析方法及其系統，特別是一種核電大型結構焊接變形預測分析方法及其系統。

背景技術：

在核電核級設備和鋼結構等大型結構件制作安裝過程中，采用了較多的焊接連接方式，由于焊接高度集中的瞬時熱輸入，不均勻的加熱和冷卻使得焊縫及其附近區域產生非均勻的膨脹和收縮，引起焊縫及其附近區域的塑性變形，隨之在焊接結構中產生焊接變形。焊接變形的產生不僅影響核電核級設備和鋼結構的制作安裝，而且影響其使用性能及服役周期。因此，焊接變形控制在核電核級設備和鋼結構制作安裝中至關重要，而準確的焊接變形預測是焊接變形控制的前提。

核電核級設備和鋼結構等大型結構件因其具有結構尺寸大、焊縫密集、拘束復雜等特點，在焊接完畢后，整體焊接變形復雜，預測分析難度大。在以往施工中，核電大型結構的焊接變形預測主要依據施工經驗及有限的試驗數據，預測結果與實際變形存在較大的誤差。隨著計算機技術和數值計算方法的發展，熱彈塑性有限元數值模擬技術成為焊接變形準確預測的重要技術途徑，采用熱彈塑性有限元數值模擬方法可以準確、全面地反映焊接過程，對焊接變形的分析研究具有重要意義。但對于核電大型結構而言，采用熱彈塑性有限元數值模擬對其變形進行數值分析計算，需要的計算機容量大、分析計算所需要的周期長和計算成本高。使其難以在大型結構施工中進行有效應用。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種核電大型結構焊接變形預測分析方法及其系統，大大減少了分析計算的時間，而且能夠有效的保證預測結果的準確性。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：

一種核電大型結構焊接變形預測分析方法，其特征在于包含以下步驟：

步驟一：從典型接頭固有變形數據庫中獲取典型焊接接頭的試驗變形值；

步驟二：采用熱彈塑性有限元模擬計算典型焊接接頭的模擬變形值；

步驟三：判斷模擬變形值和試驗變形值是否一致；

若一致，從計算結果中提取典型接頭的固有變形值存入典型接頭固有變形數據庫中；

若不一致，調整熱彈塑性模型重新計算并重復步驟三，循環執行步驟三直至模擬變形值和試驗變形值一致，最終將獲得的準確的固有變形值存入典型接頭固有變形數據庫中；

步驟四：預測大型結構焊接變形時，從典型接頭固有變形數據庫中檢索相應的接頭固有變形值并轉換為固有應變值施加在焊縫區域，通過彈性計算就能快速獲得變形。

進一步地，所述固有變形值包括橫向收縮、縱向收縮力和角變形。

進一步地，所述縱向收縮力tf，橫向收縮ts和角變形ad的計算公式為，

ts＝a+blnx(a＝5.38,b＝-0.91)

ad＝a+bx+cx²(a＝0.073,b＝-0.00034,c＝6.54e-7)

其中，x為熱輸入與板厚平方的比值，即qtotal/h2。

進一步地，所述熱彈塑性有限元模擬計算的方法為，通過匹配模擬計算的焊接接頭的溫度場與實驗獲取的溫度場確定熱源模型，設定焊縫區的材料模型和邊界條件，采用生死單元模擬焊縫區生長方式，通過細化焊縫區網格反應焊縫區溫度梯度和應力變化梯度確定有限元模型。

進一步地，所述步驟四中，快速獲得變形具體為，

5.1導入固有變形值進入變形數據庫；

5.2根據焊接結構建立三維模型；

5.3將三維模型進行殼單元網格劃分；

5.4將劃分好網格的三維模型根據材料數據、焊縫數據進行一次彈性有限元計算。

一種核電大型結構焊接變形預測分析系統，其特征在于：包含

獲取模塊，用于獲取典型焊接接頭的試驗變形值；

計算模塊，與獲取模塊連接，用于采用熱彈塑性有限元模擬計算典型焊接接頭的模擬變形值；

判斷模塊，與計算模塊連接，用于判斷模擬變形值和試驗變形值是否一致；

調用模塊，與判斷模塊連接，用于獲取判斷模塊結果，若一致，則從計算結果中提取固有變形值將固有變形值轉化為固有應變值，存入典型接頭固有應變數據庫中以便調用固有應變數據庫匹配預測結果；否則，調整計算模型和參數重新計算直到模擬的變形值和試驗變形值基本一致，以最終獲得準確的典型固有變形值；從固有變形庫中檢索對應接頭的固有變形值并轉換為固有應變值施加在大型結構焊縫區域，經一次彈性計算獲得大型結構焊接變形。

進一步地，所述獲取模塊包含

采集單元，用于采用k型熱電偶及電感式位移器采集焊接溫度場及動態變形數據；

應變值計算單元，用于根據固有應變的計算方法將采集到的數據計算出試驗固有應變值。

進一步地，所述計算模塊包含，

匹配熱源模型單元，用于匹配模擬計算的焊接接頭的溫度場與實驗獲取的溫度場確定熱源模型；

設定單元，用于設定焊縫區的材料模型和邊界條件；

模擬單元，用于采用生死單元模擬焊縫區生長方式；

有限元確定單元，用于通過細化焊縫區網格反應焊縫區溫度梯度和應力變化梯度確定有限元模型。

進一步地，所述調用模塊包含，

導入單元，用于導入固有變形值進入典型接頭固有變形數據庫；

建模單元，用于根據焊接結構建立三維模型；

網格劃分單元，用于將三維模型進行殼單元網格劃分；

計算單元，用于將劃分好網格的三維模型根據材料數據、焊縫數據進行一次彈性有限元計算。

本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果：本發明基于固有應變理論，確定了典型焊接接頭固有變形計算方法，根據計算方法模擬變形值，并與實際獲取的變形值進行匹配比較，最終獲得典型接頭的固有變形值和數據庫。大型結構焊接變形預測時，從數據庫中檢索出相應接頭的固有變形值并轉換為固有應變值加載在焊縫周圍，通過一次彈性計算就能簡單高效預測大型結構件焊接變形。這樣將復雜的熱彈塑性焊接變形分析轉化為相對簡單的一次彈性板、殼單元有限元分析，不僅大大減少了分析計算的時間，而且能夠有效的保證預測結果的準確性。

附圖說明

圖1是本發明的一種核電大型結構焊接變形預測分析方法的流程圖。

圖2是本發明的一種核電大型結構焊接變形預測分析系統的模塊圖。

圖3是本發明的實施例的典型焊接結構表。

圖4是本發明的實施例的不銹鋼水池固有變形數據表。

具體實施方式

下面結合附圖并通過實施例對本發明作進一步的詳細說明，以下實施例是對本發明的解釋而本發明并不局限于以下實施例。

如圖1所示，本發明的一種核電大型結構焊接變形預測分析方法，包含以下步驟：

步驟一：從典型接頭固有變形數據庫中獲取典型焊接接頭的試驗變形值；

步驟二：采用熱彈塑性有限元模擬計算典型焊接接頭的模擬變形值；

步驟三：判斷模擬變形值和試驗變形值是否一致；

若一致，從計算結果中提取典型接頭的固有變形值存入典型接頭固有變形數據庫中；

若不一致，調整熱彈塑性模型重新計算并重復步驟三，循環執行步驟三直至模擬變形值和試驗變形值一致，最終將獲得的準確的固有變形值存入典型接頭固有變形數據庫中；

步驟四：預測大型結構焊接變形時，從典型接頭固有變形數據庫中檢索相應的接頭固有變形值并轉換為固有應變值施加在焊縫區域，通過彈性計算就能快速獲得變形。

固有變形值包括橫向收縮、縱向收縮力和角變形,。縱向收縮力tf，橫向收縮ts和角變形ad的計算公式為，

ts＝a+blnx(a＝5.38,b＝-0.91)

ad＝a+bx+cx²(a＝0.073,b＝-0.00034,c＝6.54e-7)

其中，x為熱輸入與板厚平方的比值，即qtotal/h2。

采用k型熱電偶及電感式位移器采集焊接溫度場及動態變形數據。根據固有應變的計算方法獲得準確的接頭固有變形；并采用大型非線性有限元分析軟件abaqus，建立典型焊接接頭的彈性有限元分析模型，通過在焊縫及其附近區域施加固有應變來計算其焊接變形值。

熱彈塑性有限元模擬計算的方法為，通過匹配模擬計算的焊接接頭的溫度場與實驗獲取的溫度場確定熱源模型，設定焊縫區的材料模型和邊界條件，采用生死單元模擬焊縫區生長方式，通過細化焊縫區網格反應焊縫區溫度梯度和應力變化梯度確定有限元模型。

快速獲得變形具體為，

5.1導入固有變形值進入變形數據庫；

5.2根據焊接結構建立三維模型；

5.3將三維模型進行殼單元網格劃分；

5.4將劃分好網格的三維模型根據材料數據、焊縫數據進行一次彈性有限元計算。

如圖2所示，一種核電大型結構焊接變形預測分析系統，包含

獲取模塊21，用于獲取典型焊接接頭的試驗變形值；

計算模塊22，與獲取模塊連接，用于采用熱彈塑性有限元模擬計算典型焊接接頭的模擬固有變形值；

判斷模塊，與計算模塊連接，用于判斷模擬固有變形值和試驗固有變形值是否一致；

調用模塊，與判斷模塊連接，用于獲取判斷模塊結果，若一致，則從計算結果中提取固有變形值將固有變形值轉化為固有應變值，存入典型接頭固有應變數據庫中以便調用固有應變數據庫匹配預測結果；否則，調整計算模型和參數重新計算直到模擬的變形值和試驗變形值基本一致，以最終獲得準確的典型固有變形值；從固有變形庫中檢索對應接頭的固有變形值并轉換為固有應變值施加在大型結構焊縫區域，經一次彈性計算獲得大型結構焊接變形。

獲取模塊21包含

采集單元211，用于采用k型熱電偶及電感式位移器采集焊接溫度場及動態變形數據；

應變值計算單元212，用于根據固有應變的計算方法將采集到的數據計算出試驗固有應變值。

計算模塊22包含，

匹配熱源模型單元221，用于匹配模擬計算的焊接接頭的溫度場與實驗獲取的溫度場確定熱源模型；

設定單元222，用于設定焊縫區的材料模型和邊界條件；

模擬單元223，用于采用生死單元模擬焊縫區生長方式；

有限元確定單元224，用于通過細化焊縫區網格反應焊縫區溫度梯度和應力變化梯度確定有限元模型。

調用模塊24包含，

導入單元241，用于導入固有變形值進入典型接頭固有變形數據庫；

建模單元242，用于根據焊接結構建立三維模型；

網格劃分單元243，用于將三維模型進行殼單元網格劃分；

計算單元244，用于將劃分好網格的三維模型根據材料數據、焊縫數據進行一次彈性有限元計算。

為了更加清楚的描述上述方法及系統，以下通過具體實施例說明：

1、典型焊接接頭焊接溫度場及動態變形數據獲取

梳理不銹鋼水池焊接接頭形式，針對其結構特點，選取焊接接頭進行典型焊接試驗，如圖3的表1所示。

典型接頭焊接過程中采用兩臺計算機分別采集焊接溫度場和動態變形數據，獲得溫度及變形隨時間變化的曲線。在溫度測量過程中采用鎳鉻-鎳硅(k型)熱電偶；變形測量選用電感式位移傳感器。采集到的信號通過采集卡整理和轉換后，輸入到計算機進行數據處理。一方面，將采集數據結果保存在數據結果文件中；另一方面，通過人機交互界面在電腦屏幕上實時顯示變形和溫度隨時間的變化過程。

2、確定熱彈塑性有限元計算方法的材料本構模型

選用帶狀溫度熱源作為本項目典型焊接接頭計算的熱源模型。

選取合適的et/e的值，并確定隨溫度變化的材料性能。增加材料熔點溫度以上的熱傳導率、熔化溫度以上的材料比熱和合適的恒定的復合散熱系數值。

采用生死單元技術實現多道焊接焊縫金屬的生長。首先建立完整的包含未填充焊縫材料的模型，將代表未生成焊縫的單元設為“死單元”狀態，代表當前焊道的單元在計算時要從“死單元”激活為“活單元”。

采用有限元軟件ansys進行建模，為了反映焊縫區域的溫度梯度和應力變化梯度，焊縫區域的網格細化(焊縫區域的最小單元尺寸為1mm×1mm×5mm)，而遠離焊縫區域的網格稀疏。

根據獲得的固有應變的計算方法，通過商業有限元軟件abaqus對典型接頭進行驗證計算。選取3個典型焊接接頭，建立相應的彈性模型，并且通過施加固有應變來計算其變形，最終同熱彈塑性模型的變形結果進行比較。

3、建立不銹鋼水池固有變形數據庫

對不銹鋼水池焊接接頭進行整理，并根據確定的固有應變計算方法對梳理出的所有水池焊接接頭進行固有變形計算，建立不銹鋼水池固有變形數據庫如圖4的表2所示。

4、不銹鋼水池焊接變形預測

依據水池結構形式，采用solidworks軟件建立水池模型。

將在solidworks軟件中建立的模型導入hypermesh軟件進行殼單元網格劃分。

導入hypermesh里建好的前處理有限元模型。

添加材料屬性和焊縫。

進行一次彈性有限元計算。

本說明書中所描述的以上內容僅僅是對本發明所作的舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種修改或補充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發明說明書的內容或者超越本權利要求書所定義的范圍，均應屬于本發明的保護范圍。