一种钢构件焊接数值模拟方法及相关装置与流程

本发明属于大型钢构件焊接，具体涉及一种钢构件焊接数值模拟方法及相关装置。

背景技术：

1、随着焊接技术在工程领域的广泛应用，焊接过程中产生的残余应力和变形问题成为工程设计和结构安全性的重要考虑因素。为了准确预测和优化焊接过程中的这些不利变形和应力，有限元数值模拟方法成为焊接工程中不可或缺的工具。传统的焊接数值模拟方法主要包括固有应变法和热-弹塑性法。其中，固有应变法虽然计算简便，但在大型复杂构件的焊接预测中存在精度不足的问题；而热-弹塑性法虽然能够提供更高的精度，但其计算复杂度和收敛性问题限制了其在实际工程中的广泛应用。特别是在大型桥梁工程中，大型钢构件的焊接问题更为显著，由于焊缝繁多、结构尺寸庞大，传统的数值模拟方法在模型建立、计算周期和计算收敛性等方面面临着提高严重挑战。

2、为了钢构件焊接数值模拟计算效率，现有钢构件焊接数值模拟方法通常局限于网格划分、钢构件几何模型简化和改变热-弹塑性耦合顺序等方法，对热-弹塑性耦合方式下的焊接模拟计算效率的提高十分有限，对于大尺寸的多道焊钢构件计算耗时仍需以月计。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种钢构件焊接数值模拟方法及相关装置，其目的在于解决钢构件焊接数值模拟计算成本高、计算效率低下的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、一种钢构件焊接数值模拟方法，包括：

4、基于有限元软件建立由梁单元模型、壳单元模型和焊缝处实体单元模型之间按照设定约束方式构成的钢构件多尺度几何模型，并对钢构件多尺度几何模型进行网格划分；

5、对梁单元模型、壳单元模型和焊缝处实体单元模型均赋予热学网格属性，并设定分析步为热传递分析步；

6、在焊缝处实体单元模型起始位置施加移动体热源模型，并定义移动体热源模型移动路径以及钢构件多尺度几何模型的热力学边界条件；

7、通过热学计算得到钢构件多尺度几何模型在移动体热源模型作用下的温度场，将焊缝处实体单元模型的热学网格属性改为静力学网格属性，设定分析步为静力学分析步；

8、将温度场作为初始荷载条件导入钢构件多尺度几何模型，定义钢构件多尺度几何模型的静力学边界条件，通过静力学计算得到钢构件多尺度几何模型在移动体热源模型下的热变形、焊接残余应力场和应变场。

9、进一步地，所述焊缝处实体单元模型的宽度大于钢构件多尺度几何模型对应焊缝处板厚的6倍。

10、进一步地，所述梁单元模型和壳单元模型的尺寸满足如下条件：

11、

12、

13、其中，h为梁单元模型几何截面高度，l为梁单元模型几何计算长度，hw为壳单元模型板厚，b为壳单元模型最短边几何尺寸。

14、进一步地，所述设定约束方式包括：

15、所述壳单元模型与所述焊缝处实体单元模型衔接处的约束方式为壳-实体耦合约束，所述梁单元模型与所述焊缝处实体单元模型衔接处的约束方式为分布耦合约束。

16、进一步地，壳-实体耦合约束与分布耦合约束方式之间耦合节点处的力与力矩分布方式满足如下加权方法：

17、

18、

19、

20、其中，wi为是耦合节点处的权重因子，ri是耦合节点到参考节点的径向距离，r0是到最远耦合节点的距离。

21、进一步地，所述移动体热源模型为双椭球移动体热源模型，所述双椭球移动体热源模型满足如下条件：

22、

23、

24、q＝ηui

25、其中，a1和a2分别为前半椭球体长度和后半椭球体长度；b为熔宽的一半；c为熔深；x,y,z分别为3个坐标轴；q为热输入功率；q1为前半球能量输入密度；q2为后半球能量输入密度；η为电弧热效率；u为焊接电压；i为焊接电流；f1为前1/4椭球的能量输入；f2为后1/4椭球的能量输入。

26、进一步地，所述热传递分析步的分析步长为0.01s～0.1s。

27、一种钢构件焊接数值模拟装置，包括：

28、建立模块，用于基于有限元软件建立由梁单元模型、壳单元模型和焊缝处实体单元模型之间按照设定约束方式构成的钢构件多尺度几何模型，并对钢构件多尺度几何模型进行网格划分；

29、第一设定模块，用于对梁单元模型、壳单元模型和焊缝处实体单元模型均赋予热学网格属性，并设定分析步为热传递分析步；

30、热源施加模块，用于在焊缝处实体单元模型起始位置施加移动体热源模型，并定义移动体热源模型移动路径以及钢构件多尺度几何模型的热力学边界条件；

31、第一计算模块，用于通过热学计算得到钢构件多尺度几何模型在移动体热源模型作用下的温度场，将焊缝处实体单元模型的热学网格属性改为静力学网格属性，设定分析步为静力学分析步；

32、第二计算模块，用于将温度场作为初始荷载条件导入钢构件多尺度几何模型，定义钢构件多尺度几何模型的静力学边界条件，通过静力学计算得到钢构件多尺度几何模型在移动体热源模型下的热变形、焊接残余应力场和应变场。

33、一种设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种钢构件焊接数值模拟方法的步骤。

34、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种钢构件焊接数值模拟方法的步骤。

35、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

36、本发明一种钢构件焊接数值模拟方法，基于有限元软件建立由梁单元模型、壳单元模型和焊缝处实体单元模型之间按照设定约束方式构成的钢构件多尺度几何模型，通过运用壳、实体和梁单元的耦合方式，降低了计算所需的网格数量，在保持一定的模拟精度的同时，显著减少了计算时间，使得对大型钢构件焊接热变形、焊接温度场和残余应力的仿真更加高效。本发明显著降低了内存占用，为大型复杂钢构件焊接残余应力和焊接热变形仿真提供了更为高效的数值模拟手段，为大型钢构件焊接领域提供了高效的数值模拟方法，为相关工程实践提供了重要的技术支持。

37、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

技术特征：

1.一种钢构件焊接数值模拟方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种钢构件焊接数值模拟方法，其特征在于，所述焊缝处实体单元模型的宽度大于钢构件多尺度几何模型对应焊缝处板厚的6倍。

3.根据权利要求1所述的一种钢构件焊接数值模拟方法，其特征在于，所述梁单元模型和壳单元模型的尺寸满足如下条件：

4.根据权利要求1所述的一种钢构件焊接数值模拟方法，其特征在于，所述设定约束方式包括：

5.根据权利要求4所述的一种钢构件焊接数值模拟方法，其特征在于，壳-实体耦合约束与分布耦合约束方式之间耦合节点处的力与力矩分布方式满足如下加权方法：

6.根据权利要求1所述的一种钢构件焊接数值模拟方法，其特征在于，所述移动体热源模型为双椭球移动体热源模型，所述双椭球移动体热源模型满足如下条件：

7.根据权利要求1所述的一种钢构件焊接数值模拟方法，其特征在于，所述热传递分析步的分析步长为0.01s～0.1s。

8.一种钢构件焊接数值模拟装置，其特征在于，包括：

9.一种设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的一种钢构件焊接数值模拟方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的一种钢构件焊接数值模拟方法的步骤。

技术总结本发明公开了一种钢构件焊接数值模拟方法及相关装置，基于有限元软件建立由梁单元模型、壳单元模型和焊缝处实体单元模型之间按照设定约束方式构成的钢构件多尺度几何模型，并对钢构件多尺度几何模型进行网格划分；通过热学计算得到钢构件多尺度几何模型在移动体热源模型作用下的温度场，将焊缝处实体单元模型的热学网格属性改为静力学网格属性，设定分析步为静力学分析步；将温度场作为初始荷载条件导入钢构件多尺度几何模型，定义钢构件多尺度几何模型的静力学边界条件，通过静力学计算得到钢构件多尺度几何模型在移动体热源模型下的热变形、焊接残余应力场和应变场。本发明的目的在于解决钢构件焊接数值模拟计算成本高、计算效率低下的问题。技术研发人员：刘小光,王浩,朱宝明,张毅毅,王耀正,杨泽坤,徐国光,范格平,刘辉,朱伟庆,周波,韩国定,张驰,张庚,李泽纬,卜延渭,魏驰,徐子涵受保护的技术使用者：陕西建工机械施工集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29