耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法及系统

本发明涉及疲劳数值模拟，具体而言，涉及耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法及系统。

背景技术：

1、焊接是机械制造和结构工程中的一种常见连接方法，广泛应用于桥梁、建筑、船舶、管道和压力容器等领域。然而，焊接过程中由于局部加热和快速冷却，会在焊接区域产生残余应力。焊接接头的疲劳裂纹起裂是指在反复循环载荷作用下，材料中逐渐形成并扩展的微小裂纹，最终导致材料或结构失效。疲劳裂纹起裂对结构的安全性和使用寿命有重要影响，因此，研究焊接接头的疲劳裂纹起裂具有重要的工程实际意义和科学价值。

2、然而通过数值模拟的方法揭示焊接残余应力对疲劳裂纹萌生的影响具有一定的难度。现阶段常用的模拟方法是将焊接残余应力场的计算和疲劳裂纹萌生分为两个单独的部分，将残余应力应变的计算结果作为预定义场的形式引入后续的疲劳分析。但是由于变形协调，应变场一旦引入就会释放掉部分变形，无法表示真实的焊接残余应力应变场。由于残余应力的存在会影响应力分布和应力集中区域，如果不考虑焊接残余应力，则改变裂纹最可能的起裂位置。因此，克服模拟技术的不足，在疲劳裂纹萌生模拟分析前引入精确的焊接残余应力应变场，一方面可以使模拟的疲劳寿命更加接近真是情况，能够提供更可靠的寿命预测，避免过早或过晚失效；另一方面可以准确预测裂纹可能的起裂位置，从而提高裂纹检测和监控的有效性。因此能够更真实地反映出焊接接头的高风险区域，指导设计改进和结构优化。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测技术，以克服现有模拟技术中存在的难点。

2、为了实现上述技术目的，本申请提供了耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法，包括以下步骤：

3、基于构建的焊接接头的晶体塑性裂纹扩展有限元模型，定义焊接热源函数，模拟焊接和冷却过程的温度场；

4、基于温度场，根据材料的热力学参数，获取焊接残余应力场，通过嵌入净滑移损伤参量，对材料的晶间疲劳裂纹的萌生进行预测。

5、优选地，在构建晶体塑性裂纹扩展有限元模型的过程中，根据母材、焊材和热影响区的焊接接头微观结构图以及各晶粒的随机取向，构建焊接接头多晶有限元模型，并划分网格，作为晶体塑性裂纹扩展有限元模型。

6、优选地，在获取温度场的过程中，温度场的计算过程包括：

7、s21、创建热分析步，分别为焊接过程和冷却过程；

8、s22、定义材料热学属性：密度、比热和热导率；

9、s23、定义网格属性为热传递单元类型dc3d8；

10、s24、定义边界条件：边界热交换和热辐射；

11、s25、施加体热通量，计算温度场。

12、优选地，在定义焊接热源函数的过程中，焊接热源函数表示为：

13、

14、其中q(r)是距离热源半径r处的热通量密度，u和i是焊接电流和电压，η是电弧效率，r0是电弧半径，r是在某一点接收热源的半径。

15、优选地，在获取焊接残余应力场的过程中，基于温度场的计算过程，定义材料热力学参数：弹性参数、塑性参数和热膨胀系数；将热分析步改为静力学分析步，分析步时长同热分析步相同；将单元类型改为c3d8；将步骤s25温度场计算结果导入为预定义温度场，定义边界条件后，计算焊接残余应力场。

16、优选地，在计算焊接残余应力场的过程中，基于温度场的计算过程，通过构建材料的理想热弹塑性本构模型，计算焊接残余应力场，其中，理想热弹塑性本构模型，表示为：

17、{dε}＝{dε}e+{dε}t+{dε}p

18、式中，{dε}表示总应变增量，{dε}e表示弹性应变增量，{dε}p表示塑性应变增量，{dε}t表示热应变增量。

19、优选地，在对萌生进行预测的过程中，基于焊接残余应力场，根据材料的晶体塑性本构模型，嵌入净滑移损伤参量，获取净滑移损伤指示因子，生成基于净滑移损伤因子的扩展有限元裂纹扩展准则，对裂纹扩展进行表征。

20、优选地，在构建晶体塑性本构模型的过程中，晶体塑性本构模型表示为：

21、

22、其中，lp为塑性变形速率梯度，为塑性变形梯度速率，为塑性变形梯度的逆，sα为第α滑移系上的滑移方向上的单位矢量，nα为第α滑移系上的滑移法向上的单位矢量，为第α滑移系上的剪切率。

23、本发明还公开了耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测系统，用于实现晶间疲劳裂纹萌生预测方法，包括：

24、温度场测算模块，用于基于构建的焊接接头的晶体塑性裂纹扩展有限元模型，定义焊接热源函数，模拟焊接和冷却过程的温度场；

25、萌生预测模块，用于基于温度场，根据材料的热力学参数，获取焊接残余应力场，通过嵌入净滑移损伤参量，对材料的晶间疲劳裂纹的萌生进行预测。

26、优选地，温度场测算模块，还用于根据母材、焊材和热影响区的焊接接头微观结构图以及各晶粒的随机取向，构建焊接接头多晶有限元模型，并划分网格，作为晶体塑性裂纹扩展有限元模型。

27、本发明公开了以下技术效果：

28、本发将计算焊接残余应力的热弹塑性本构模型和后续疲劳裂纹萌生分析所需的晶体塑性本构模型耦合到一个umat子程序内。可在一个模拟作业内先后完成残余应力的计算以及后续的疲劳裂纹萌生分析，从而避免了因外加引入预应变场而给后续的疲劳分析提供了一个导不真实的残余应力应变场。

29、本发明能够从微观的角度，即能准确的考虑焊接残余应力场的影响，又纳入微观力学信息如局部应力集中、晶体取向、不同的微观区域等，来预测疲劳晶间裂纹的萌生。

技术特征：

1.耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法，其特征在于：

3.根据权利要求2所述耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法，其特征在于：

4.根据权利要求3所述耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法，其特征在于：

5.根据权利要求3所述耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法，其特征在于：

6.根据权利要求5所述耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法，其特征在于：

7.根据权利要求6所述耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法，其特征在于：

8.根据权利要求7所述耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法，其特征在于：

9.耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测系统，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测系统，其特征在于：

技术总结本发明公开了耦合焊接残余应力的晶间疲劳裂纹萌生预测方法及系统，属于疲劳数值模拟技术领域，包括：基于构建的焊接接头的晶体塑性裂纹扩展有限元模型，定义焊接热源函数，模拟焊接和冷却过程的温度场；基于温度场，根据材料的热力学参数，获取焊接残余应力场，通过嵌入净滑移损伤参量，对材料的晶间疲劳裂纹的萌生进行预测。本发明能够从微观的角度，即能准确的考虑焊接残余应力场的影响，又纳入微观力学信息如局部应力集中、晶体取向、不同的微观区域等，来预测疲劳晶间裂纹的萌生。技术研发人员：王小威,周德文,张显程,夏咸喜,张天宇,李恒,巩建鸣,涂善东受保护的技术使用者：南京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29