T-CSTM 00825-2023 焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算導(dǎo)則

Guideforfiniteelementcalculationofw2023-11-17發(fā)布2024- 1 1 1 4 5 5 7 7 8 8 11 12 13 15 15請注意本文件的某些內(nèi)容有可能涉及專利。本文件的發(fā)布本文件由中國材料與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會特種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域委員會(CSTM/FC5本文件由中國材料與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會特種設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域委員會(CSTM/FC51焊接殘余應(yīng)力有限元計(jì)算導(dǎo)則GB/T31054機(jī)械產(chǎn)品計(jì)算機(jī)輔助工程有GB/T3375和GB/T31054界定的有限元分析finiteelemen2注：每個(gè)單元僅在節(jié)點(diǎn)處和相鄰單元及外部焊接殘余應(yīng)力weldingresidual3對于平板焊接，垂直于由縱向和橫向確定的平面的方向，即沿厚度方環(huán)向/周向circumferential道間溫度interpasstemper連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線continuouscoolingtransformati等溫轉(zhuǎn)變曲線timetemperaturetransformati反映組織在不同過冷度下等溫溫度、保持時(shí)間與轉(zhuǎn)變產(chǎn)物所占百分?jǐn)?shù)的關(guān)擴(kuò)散型相變diffusivephasetr非擴(kuò)散型相變non-diffusivephaset4相變塑性transformationinducedpla相變塑性系數(shù)coefficientoftransformationplasticity各向同性強(qiáng)化模型isotropicharde隨動強(qiáng)化模型kinematicha材料在進(jìn)入塑性以后，加載曲面在應(yīng)力空間僅做剛體移動，但其屈服面混合強(qiáng)化模型mixedhardening退火溫度annealingtemperatu階躍退火模型single-stage動態(tài)退火模型time-temperature-dependentannea4符號和說明5KW/m2·KJ/(kg·K)ρkg/m3HJ/mPJ/sIAUVη-vTKKTmKTaKΔTKKKkMPa-1b）焊接件整體幾何尺寸；6k）機(jī)械約束（包括焊接墊板及夾具的使用方式和位置）；m）焊接熱循環(huán)曲線。料性能模擬軟件獲取材料的熱物性及力學(xué)性Trt-TmTrt-Tm——屬材料退火軟化效應(yīng)帶來的塑性應(yīng)變消除效果，應(yīng)該設(shè)置退火溫度Ta；退火軟化效應(yīng)通常通過階躍退7Trt-TmTrt-TmTrt-TmTrt-Tma)熔敷金屬的添加：為實(shí)現(xiàn)焊縫金屬的熔敷，軟件應(yīng)具有添加和移除單元元的材料屬性進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)將焊縫金屬在適當(dāng)?shù)臅r(shí)b)熱源模型的建立：計(jì)算軟件需能夠通過施c)材料性能的添加：有限元軟件還需能夠處理溫度相關(guān)的材料參數(shù)，并可以計(jì)算由熱傳導(dǎo)、熱對適用于薄壁結(jié)構(gòu)或者是法向（或徑向）應(yīng)力可被忽略應(yīng)力計(jì)算但所需建模及計(jì)算耗時(shí)較長。8b）可采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)分區(qū)域只集中在熱源附近，而其它部分則能夠保持較疏的），d）網(wǎng)格優(yōu)先劃分為四邊形單元（二維模型）或六面體單元（三維模型既能保證計(jì)算結(jié)果的可f）宜進(jìn)行網(wǎng)格敏感性分析，即采用不同的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行試算，分析計(jì)算a）主要單元類型包括低階完全積分單元、低階減縮積分單元，以及高階完全積分單元、高階積分單元。高階單元相較于低階單元能更準(zhǔn)確描述變形、應(yīng)力集中b）熱分析既可采用低階單元也可采用高階單元，但采用低階單元時(shí)需要細(xì)化網(wǎng)格以增加精度；c）在進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，應(yīng)使用減縮積分單元，以避免在完全積分的單元中發(fā)生自鎖問題；結(jié)狀不規(guī)則、變形和應(yīng)力分布復(fù)雜時(shí)宜選用高個(gè)數(shù)量級等效為材料未加熱的狀態(tài)。在應(yīng)力分析中，可通過在改變材料力學(xué)性能參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。9c）面熱源模型適用于薄壁焊接結(jié)構(gòu)，主要類型為高斯表面熱源，其熱源分布函數(shù)見公式(1):.........(1)Η-為焊接熱效率；R0－熱源半徑。通常根據(jù)對比實(shí)測及計(jì)算的熔化區(qū)截面半徑將R0值進(jìn)一步優(yōu)化，如果模擬得到的焊縫熔化區(qū)半徑比實(shí)際略小、則應(yīng)調(diào)小R0值，若比實(shí)際略大、應(yīng)增大R0值；d）體熱源模型適用于具有較大熔深的焊縫；常見的體熱源模型包括半橢球、橢球及雙橢球體熱源.........................式中:x、y、z－與熱源中心在x、y、z方向上的距離;......................式中:式中:f1、f2－雙橢球前、后部分橢球的能量分配系數(shù)，且f1+f2=2，建議f1取1.6，f2取0.4；a12a=b=a1=0.5a2≈0.45Wwidth.......................c≈0.9Wdepth(6)Wwidth、Wdepth－實(shí)際熔深及熔寬。根據(jù)對比e）對于復(fù)雜的焊道形貌，宜采用包含雙橢球體熱源的a）適用于二維截面建模法或者是厚壁結(jié)構(gòu)的三維建模方法，適用于b）該熱源模型屬于內(nèi)生熱源，其作用區(qū)域內(nèi)任意一點(diǎn)的內(nèi)生熱率等于電弧有效功率除以所作用單）；P－焊接電弧功率(焊接電流I和電弧電v－焊接速度。根據(jù)該公式可對熱輸入進(jìn)行初步計(jì)算，并應(yīng)進(jìn)一步根據(jù)溫度場預(yù)測結(jié)果對熱輸入值輻射換熱效應(yīng)在高溫區(qū)影響顯著，同樣需在表面施加熱輻射系根據(jù)實(shí)際焊接工藝條件，通過設(shè)置模型初始溫度以實(shí)現(xiàn)預(yù)熱溫度的應(yīng)控制熔敷后焊縫的道間溫度，通常設(shè)置為測量值或者焊接工藝卡設(shè)定值的對升溫至和降溫至400℃的時(shí)間段采用較小步長，400℃以下溫度的計(jì)算可以采用大步長，以節(jié)約a）最高溫度：檢查焊縫區(qū)域每一節(jié)點(diǎn)的最高溫度是b）焊接熔池的形貌與尺寸：將溫度分布云圖顯示上限設(shè)置為材料的固相線溫度以顯示熔合線邊位置提取瞬時(shí)焊接熱循環(huán)曲線，與測試所得溫度變化曲線進(jìn)行對比，預(yù)測和測量的瞬態(tài)溫度差值應(yīng)在），ξ=1-exp(-ktn)(9)k—系數(shù)，反映形核和晶粒長大的速度，其值的大k和n的值可以通過材料的等溫轉(zhuǎn)變曲線圖和連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線圖來確定ξ=1-exp(-b(Ms-T)),(Ms＞T)......................(10)約束條件（自由態(tài)）的計(jì)算，最終獲得的應(yīng)力為殘dε=dεth+dεe+dεp(11)dεe－彈性應(yīng)變增量；dεp－塑性應(yīng)變增量；dεth－熱應(yīng)變增量。12.2.2存在固態(tài)相變效應(yīng)見公式（12）:dε=dεth+dεe+dεp+dεvol+dεtp(12)dεtp=kSf(14)......................S－應(yīng)力張量；f－新相含量；△f－相體積分?jǐn)?shù)增量；f－相變速率，h()為非線性因素；k－相變塑性參數(shù)，可由公式（16）計(jì)算:k=2Δεitj/σi......................(16)Δεitj－新相與舊相之間熱應(yīng)變的差值；a）提供關(guān)鍵橫截面的殘余應(yīng)力數(shù)值預(yù)測視圖，與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)b）提供關(guān)鍵位置的預(yù)測值、與測量值進(jìn)行比較。需依據(jù)測試的標(biāo)稱體積，對有限元分析的關(guān)鍵位j）分析人員、校核人員及審批人員簽字。石重型裝備股份有限公司、哈電集團(tuán)（秦皇島）重型裝備有限公司、山東核電