对接环形焊缝焊接数值计算方法及系统

1.本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种对接环形焊缝焊接数值计算方法及系统。


背景技术：

2.臂架是履带起重机的主要受力结构件，决定着整机的稳定性和安全性。由于两侧材质、形状、受热面积均不同，实际焊接生产过程中出现了大量焊接裂纹。因此，在保证臂架高强度的同时提高焊接接头强韧性、防止焊接裂纹出现的基础上，开展对臂架主弦杆与接头焊接性和焊接工艺的研究显得尤为必要。
3.生产过程中残余应力的存在，使焊接过程中或焊接后，易产生焊接裂纹。由于焊接过程中热过程的瞬时性、局部性、热源运动及熔池液体金属激烈运动等使得焊接温度场检测困难，无法对焊接过程中温度场进行监控，导致焊接质量不稳定，焊接结果偶然性高，为了保证异种钢对接环形焊缝的焊接质量，传统方法依靠人工经验，采用大量的工件试验确定焊接方案，该方法成本较高、效率低且工作量大。
4.因此，如何提供一种对接环形焊缝焊接数值计算方法及系统，实现对接环形焊缝的焊接数值的模拟计算，确定焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力，有效提高生产效率，保证焊接质量。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种对接环形焊缝焊接数值计算方法及系统。
6.本发明提供一种对接环形焊缝焊接数值计算方法，包括：
7.对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径；
8.在对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型；
9.定义目标工况，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。
10.根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，在对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径的步骤之前，还包括：
11.基于第一焊接件、第二焊接件和焊缝的物理结构，分别建立三维几何模型；
12.基于三维几何模型，确定对接环形焊接模型。
13.根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径，具体包括：
14.对预先建立的对接环形焊接模型，根据预设网格划分规则，划分网格；
15.基于对接环形焊接模型的材料热物理性能和力学性能，设置材料特性并建立焊接路径。
16.根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，对预先建立的对接环形焊接模型，根据预设网格划分规则，划分网格，具体包括：
17.基于对接环形焊接模型的几何对称性，确定模型最小对称单元；
18.根据预设网格划分规则，对模型最小对称单元划分网格；其中，接近焊缝区域网格单元划分密集，远离焊缝区域网格单元划分稀疏；
19.基于划分网格后的模型最小对称单元，确定划分网格后的对接环形焊接模型。
20.根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，初始条件包括：初始温度和环境温度；边界条件为位移约束条件；热源模型为双椭球热元模型。
21.根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，位移约束条件为焊件在焊接过程中不发生位移。
22.根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，定义目标工况，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场，具体包括：
23.定义目标工况，确定焊接步骤和冷却步骤；
24.基于焊接步骤和冷却步骤，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。
25.本发明还提供一种对接环形焊缝焊接数值计算系统，包括：模型设置单元、参数设置单元和数值计算单元；
26.模型设置单元，用于对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径；
27.参数设置单元，用于在对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型；
28.数值计算单元，用于定义目标工况，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。
29.本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如上述任一种对接环形焊缝焊接数值计算方法的步骤。
30.本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种对接环形焊缝焊接数值计算方法的步骤。
31.本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法及系统，通过建立的对接环形焊接模型，模拟焊接过程，对接环形焊缝的焊接数值进行计算，确定温度场和应力场，分析焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力的分布情况。在进行实物焊接前进行模拟计算，能够预先明确焊接工艺与焊接变形之间的关系，及时对焊接工艺进行优化调整，有效提高生产效率，保证焊接质量。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
33.图1为本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法流程图；
34.图2为本发明提供的对接环形焊接模型网格示意图；
35.图3为本发明提供的焊缝路径示意图；
36.图4为本发明提供的第一道焊缝焊接结束时的温度场云图；
37.图5为本发明提供的第一层焊缝焊接结束后冷却40s的温度场云图；
38.图6为本发明提供的第二道焊缝焊接结束时的温度场云图；
39.图7为本发明提供的第二层焊缝焊接结束后冷却40s的温度场云图；
40.图8为本发明提供的第三道焊缝焊接结束时的温度场云图；
41.图9为本发明提供的第四道焊缝焊接结束时的温度场云图；
42.图10为本发明提供的第三层焊缝焊接结束后冷却40s的温度场云图；
43.图11为本发明提供的第五道焊缝焊接结束时的温度场云图；
44.图12为本发明提供的第六道焊缝焊接结束时的温度场云图；
45.图13为本发明提供的第七道焊缝焊接结束时的温度场云图；
46.图14为本发明提供的全部焊缝焊接结束后冷却600s的温度场云图；
47.图15为本发明提供的全部焊缝焊接结束后冷却6000s的温度场云图；
48.图16为本发明提供的应力场云图；
49.图17为本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算系统结构示意图；
50.图18为本发明提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
51.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.图1为本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法流程图，如图1所示，本发明提供一种对接环形焊缝焊接数值计算方法，包括：
53.步骤s1，对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径；
54.步骤s2，在对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型；
55.步骤s3，定义目标工况，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。
56.具体的，本发明采用有限元软件预先建立异种钢对接环形焊缝焊接的物理模型，即对接环形焊接模型。可以理解的是，对接环形焊接模型根据本发明实际应用时焊接所用的结构为基础建立，可根据实际需求进行调整，本发明对此不作限定。
57.在步骤s1中，将预先建立的对接环形焊接模型导入有限元前处理软件(如hypermesh软件)中，对三维有限元模型进行网格划分，并设置材料特性和焊接路径。
58.可以理解的是，模型的材料特性根据实际焊接时所用材料的物理性质设置，焊接路径根据实际需求进行设置，本发明对此不作限定。
59.在步骤s2中，在对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型。
60.可以理解的是，模型的初始条件、边界条件和热源模型可根据实际焊接时的需求进行设置，本发明对此不作限定。
61.在步骤s3中，定义目标工况，目标工况即为实际应用时进行焊接所进行的操作，基于对接环形焊接模型，对目标工况下的焊接过程进行模拟，获得温度场、应力场的相关数值结果。
62.通过对温度场和焊后残余应力的分布情况的分析，确定应力分布范围和大小，能够确定在目标工况下，是否存在焊接变形的情况，指导现场实际操作，通过模拟计算的方法来替代传统试验，能够有效弥补传统实验的不足。
63.本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，通过建立的对接环形焊接模型，模拟焊接过程，对接环形焊缝的焊接数值进行计算，确定温度场和应力场，分析焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力的分布情况。在进行实物焊接前进行模拟计算，能够预先明确焊接工艺与焊接变形之间的关系，及时对焊接工艺进行优化调整，有效提高生产效率，保证焊接质量。
64.可选的，根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，在对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径的步骤之前，还包括：
65.基于第一焊接件、第二焊接件和焊缝的物理结构，分别建立三维几何模型；
66.基于三维几何模型，确定对接环形焊接模型。
67.具体的，在对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径的步骤之前，还需要建立对接环形焊接模型。
68.图2为本发明提供的对接环形焊接模型网格划分示意图，如图2所示，图中从左至右，第一焊接件和第二焊接件分别为对接头和圆管。基于对接头、圆管和焊缝的物理结构，根据图纸，使用三维软件(如ug(unigraphics)、pro/e(pro/engineer)等)建立三维几何模型。并基于三维几何模型，组合确定对接环形焊接模型，将模型以.stp的格式导入hypermesh有限元软件中进行网格划分。
69.可以理解的是，图2所示的对接环形焊接模型网格划分方式仅作为一个具体的实例对本发明进行说明，除此之外，还可采用其他结构，不作为对本发明的限定。
70.本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，通过建立的对接环形焊接模型，模拟焊接过程，对接环形焊缝的焊接数值进行计算，确定温度场和应力场，分析焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力的分布情况。在进行实物焊接前进行模拟计算，能够预先明确焊接工艺与焊接变形之间的关系，及时对焊接工艺进行优化调整，有效提高生产效率，保证焊接质量。
71.可选的，根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径，具体包括：
72.对预先建立的对接环形焊接模型，根据预设网格划分规则，划分网格；
73.基于对接环形焊接模型的材料热物理性能和力学性能，设置材料特性并建立焊接路径。
74.具体的，以图2所示的对接环形焊接模型网格示意图为例，根据预设网格划分规则，划分网格，划分网格后的对接环形焊接模型如图2所示。
75.可以理解的是，预设网格划分规则中网格的具体大小以及划分规则均可根据实际需求进行设置，本发明对此不作限定。
76.划分网格后，确定接头、圆管及焊缝材料的热物理性能和力学性能，在非线性有限元分析软件(如marc软件)中，新建材料特性(模型中不同的材料设置不同的参数)，包括密度、比热容、热膨胀系数、导热系数、杨氏模量、泊松比以及屈服应力等。
77.需要说明的是，材料特性单位需统一，材料库中的单位制是t-mm-s，因此当建立几
何模型、添加边界条件、初始条件时，必须采用同样的单位制。另外，材料特性取值不能为零，否则刚度矩阵为零，无法运算。
78.图3为本发明提供的焊缝路径示意图，如图3所示，利用非线性有限元分析软件自带的工具箱功能建立焊接路径。首先在软件中根据几何功能建立圆形曲线，并通过工具箱的焊接路径功能建立焊接路径(每道焊缝有两条路径，一条为焊接路径，一条为方向路径)。
79.本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，通过建立的对接环形焊接模型，模拟焊接过程，对接环形焊缝的焊接数值进行计算，确定温度场和应力场，分析焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力的分布情况。在进行实物焊接前进行模拟计算，能够预先明确焊接工艺与焊接变形之间的关系，及时对焊接工艺进行优化调整，有效提高生产效率，保证焊接质量。
80.可选的，根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，对预先建立的对接环形焊接模型，根据预设网格划分规则，划分网格，具体包括：
81.基于对接环形焊接模型的几何对称性，确定模型最小对称单元；
82.根据预设网格划分规则，对模型最小对称单元划分网格；其中，接近焊缝区域网格单元划分密集，远离焊缝区域网格单元划分稀疏；
83.基于划分网格后的模型最小对称单元，确定划分网格后的对接环形焊接模型。
84.具体的，以图2所示的对接环形焊接模型网格划分方式为例，根据模型的几何对称性，确定模型最小对称单元为1/4的实体模型。
85.可以理解的是，在本发明实际应用中，模型的最小对称单元与模型的结构对应。另外，存在对接环形焊接模型拥有无数对称轴的特殊情况，此时，模型最小对称单元根据可根据实际需求，选择便于计算的对称单元。
86.根据预设网格划分规则，先划分1/4的实体模型的网格，划分网格时，网格节点要一一对应，确保正常计算成功。将焊缝及其附近区域网格细密划分而在远离焊缝区域增大网格尺寸焊缝处的网格尺寸小，远离焊缝的网格尺寸大，稀疏划分，能够保证计算精度、提高计算效率。
87.最后利用映射的方式将1/4的网格模型划成整个模型，将网格模型以.inp的格式导入非线性有限元分析软件中。
88.本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，通过建立的对接环形焊接模型，模拟焊接过程，对接环形焊缝的焊接数值进行计算，确定温度场和应力场，分析焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力的分布情况。在进行实物焊接前进行模拟计算，能够预先明确焊接工艺与焊接变形之间的关系，及时对焊接工艺进行优化调整，有效提高生产效率，保证焊接质量。
89.可选的，根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，初始条件包括：初始温度和环境温度；边界条件为位移约束条件；热源模型为双椭球热元模型。
90.具体的，设置对接环形焊接模型的初始条件、边界条件以及选择合适的热源模型包括以下步骤：
91.在非线性有限元分析软件的初始条件的模块中，建立热分析即焊接件的初始温度和环境温度。
92.在非线性有限元分析软件的边界条件的模块中，建立位移约束、施加工件和外界
环境的对流边界条件、设置焊接热源以及热源尺寸参数。
93.可以理解的是，初始条件和边界条件可根据实际需求进行设置，本发明对此不作限定。
94.基于对接环形焊缝选择双椭球热源模型，并对热源模型进行校正，包括：熔深c、熔宽b、前端长度a1和后端长度a2。
95.双椭球热源模型考虑了热源模型前后两部分温度梯度的差异，采用双椭球热源模型能使模拟更加准确,更贴近实际情况，计算结果与实际更接近。
96.本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，通过建立的对接环形焊接模型，模拟焊接过程，对接环形焊缝的焊接数值进行计算，确定温度场和应力场，分析焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力的分布情况。在进行实物焊接前进行模拟计算，能够预先明确焊接工艺与焊接变形之间的关系，及时对焊接工艺进行优化调整，有效提高生产效率，保证焊接质量。
97.可选的，根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，位移约束条件为焊件在焊接过程中不发生位移。
98.具体的，在施加约束条件时，对焊件施加位移约束边界条件，使焊接件在焊接时不发生位移。使模拟条件与实际焊接时的条件一致，保证模拟计算结果的准确性。
99.本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，通过建立的对接环形焊接模型，模拟焊接过程，对接环形焊缝的焊接数值进行计算，确定温度场和应力场，分析焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力的分布情况。在进行实物焊接前进行模拟计算，能够预先明确焊接工艺与焊接变形之间的关系，及时对焊接工艺进行优化调整，有效提高生产效率，保证焊接质量。
100.可选的，根据本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，定义目标工况，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场，具体包括：
101.定义目标工况，确定焊接步骤和冷却步骤；
102.基于焊接步骤和冷却步骤，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。
103.具体的，在进行模拟计算时，需定义目标工况，目标工况即为模拟实际焊接过程时所需的步骤，确定焊接步骤和冷却步骤。
104.以图2所示的对接环形焊接模型为例，定义目标工况，建立11个分析步骤，分别为7个焊接步骤和4个冷却步骤。
105.第一个分析步骤为step-1，进行第一道焊缝的焊接；第二个分析步骤step-2，第一层的冷却过程；第三个分析步骤step-3，进行第二道焊缝的焊接；第四个分析步骤step-4，第二层的冷却过程；第五个分析步骤step-5，进行第三道焊缝的焊接；第六个分析步骤step-6，进行第四道焊缝的焊接；第七个分析步骤step-7，第三层的冷却过程；第八个分析步骤为step-8，进行第五道焊缝的焊接；第九个分析步骤为step-9，进行第六道焊缝的焊接；第十个分析步骤为step-10，进行第七道焊缝的焊接；第十一个分析步骤为step-11，即整个焊接过程完成后冷却过程。
106.需要说明的是，上述目标工况仅作为一个具体的实例对本发明进行说明，除此之外，还可以根据实际需求设置不同的目标工况，本发明对此不作限定。
107.基于焊接步骤和冷却步骤，根据对接环形焊接模型，提交求解任务求解，计算得到
温度场和应力场。
108.本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，通过建立的对接环形焊接模型，模拟焊接过程，对接环形焊缝的焊接数值进行计算，确定温度场和应力场，分析焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力的分布情况。在进行实物焊接前进行模拟计算，能够预先明确焊接工艺与焊接变形之间的关系，及时对焊接工艺进行优化调整，有效提高生产效率，保证焊接质量。
109.以异种高强钢对接环形焊缝的焊接模拟计算的具体步骤为例，对本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法进行说明。
110.以履带起重机臂架旋杆为例，其中圆管材质为bj890，尺寸为219mm
×
300mm
×
15mm，接头材质为20crmnti，焊接材料采用的er50-6、φ1.2mm焊丝打底，gm-120、φ1.2mm焊丝填充、盖面焊。
111.其中，20crmnti、bj890化学成分为(wt.％)如下：
[0112][0113]
焊丝t union gm120和焊丝er50-6化学成分为(wt.％)如下表：
[0114][0115]
整个焊接过程分7道完成。焊接预热温度为175℃，焊接过程中层间温度控制在200～350℃，焊接路径如图3所示。
[0116]
具体按照以下步骤实施：
[0117]
根据图纸尺寸建立接头、圆管以及焊缝的三维实体模型，如图一所示，实体模型分为三部分，分别为接头、圆管以及焊缝部分，利用ug软件中的装配模块，将这三大部分组装成一个完整的实体模型，最后将模型以.stp的格式导入hypermesh软件中。
[0118]
将三维模型导入hypermesh软件中，为了提高划分网格的效率，将导入hypermesh软件中的模型分割成1/4部分，先划分焊缝部分，接着划分实体接头和圆管部分的网格，焊缝部分的网格和接头、圆管实体模型的网格节点要一一对应，若出现节点不对应情况，计算会出现错误以至于计算运行不成功；
[0119]
焊缝处的焊缝尺寸最小设置为0.5mm，靠近焊缝附件的区域网格尺寸为1.5mm，远离焊缝区域的网格最大尺寸为4mm。网格划分完，使用软件component功能，将模型划分9部分，分别为接头、圆管以及7道焊缝。最后将网格模型以.inp的格式导入marc软件中。
[0120]
确定异种高强钢对接环形焊缝焊接的材料特性和建立焊接路径；
[0121]
在marc软件中，模型长度单位设置为m，新建材料特性，定义接头，圆管以及焊缝材料的热物理性能和物理性能，包括密度、比热容、热膨胀系数、导热系数、弹性模量、泊松比
以及屈服强度等；
[0122]
在添加材料属性时需要注意单位需统一，材料库中的单位制是t-mm-s，因此当建立几何模型、添加边界条件、初始条件时，必须采用同样的单位制。另外，取值不能为零，否则刚度矩阵为零，无法运算。
[0123]
利用marc软件自带的工具箱功能建立焊接路径。本例的焊接是7道次，利用软件中几何功能建立圆形曲线，每道焊缝有两条曲线，一条为焊接路径曲线，一条为焊接方向曲线。圆形曲线并通过工具箱的焊接路径功能建立焊接路径。
[0124]
设置焊接模型的初始条件和边界条件以及选择合适的热源模型，在marc的初始条件的模块中，建立热分析即焊接件的初始温度，环境温度，建立位移约束以及面对流，工件和外界的对流系数设置为40。
[0125]
在本实施例中，焊接件为高强钢，焊接前需要预热，则初始温度设置175℃，周边环境温度设置为20℃。对焊件施加位移约束边界条件，使焊接件在焊接时不发生位移。
[0126]
热源模型选择双椭球模型，本例采用marc自带的焊接热源模型—goldark双椭球体热源模型如图2所示。其中热源分布形式为：
[0127]
(1)前半部分椭球热源表达式：
[0128][0129]
(2)后半部分椭球热源表达式：
[0130][0131]
其中，f1、f2为热流密度分布系数，且f1+f2＝2，q为热输入功率，v为焊接速度，a1、a2、b、c为定义椭球形状的参数。
[0132]
其中，q＝η
·i·
u，其中η为焊接热效率；i为焊接电流，u为焊接电压；a1、a2、b、c的值根据将校正后热源模型所形成的熔池大小进行确定。
[0133]
本实施例中，热源参数：a1＝0.008m、a2＝0.012m、b＝0.006m、c＝0.006m、η＝0.7。
[0134]
工艺参数：电流i的范围为270～300a，本实施例中i设为290a，电压u的范围为25～28v，本实施例中u设为27v；焊接速度为7mm/s。
[0135]
建立求解任务，提交任务求解并进行后处理；
[0136]
定义目标工况，整个模型建立11个分析步骤，分别为7个焊接步骤和4个冷却步骤。第一个分析步骤为step-1，进行第一道焊缝的焊接；第二个分析步骤step-2，第一层的冷却过程，冷却时间为40s；第三个分析步骤step-3，进行第二道焊缝的焊接；第四个分析步骤step-4，第二层的冷却过程，冷却时间为40s；第五个分析步骤step-5，进行第三道焊缝的焊接；第六个分析步骤step-6，进行第四道焊缝的焊接；第七个分析步骤step-7，第三层的冷却过程，冷却时间为40s；第八个分析步骤为step-8，进行第五道焊缝的焊接；第九个分析步骤为step-9，进行第六道焊缝的焊接；第十个分析步骤为step-10，进行第七道焊缝的焊接；第十一个分析步骤为step-11，即整个焊接过程完成后冷却过程，冷却时间为6000s。
[0137]
使用marc(焊接热处理装配模拟软件)焊接模拟软件对焊接过程进行模拟求解，提交分析任务，对温度场，应力场的求解，计算各组焊接模拟温度场及残余应力场结果。在提
交任务之前可以先提交检查，看看模型的参数设置是否正确，提高运行效率。提取结果，可得到焊接温度场和应力场的结果。
[0138]
对于温度场，图4为本发明提供的第一道焊缝焊接结束时的温度场云图，第一道焊缝焊完时热源中心温度为2217℃；
[0139]
图5为本发明提供的第一层焊缝焊接结束后冷却40s的温度场云图，焊完第一层后的冷却40s时的温度场，最高温度为244.8℃；
[0140]
图6为本发明提供的第二道焊缝焊接结束时的温度场云图，第二道焊缝焊完时热源中心温度为2352℃；
[0141]
图7为本发明提供的第二层焊缝焊接结束后冷却40s的温度场云图，焊完第二层冷却40s的温度场，最高温度为282.1℃；
[0142]
图8为本发明提供的第三道焊缝焊接结束时的温度场云图，第三道焊缝焊完时热源中心温度为2311℃；
[0143]
图9为本发明提供的第四道焊缝焊接结束时的温度场云图，第四道焊缝焊完时热源中心温度为2335℃；
[0144]
图10为本发明提供的第三层焊缝焊接结束后冷却40s的温度场云图，焊完第三层冷却40s的温度场，最高温度为333.8℃；
[0145]
图11为本发明提供的第五道焊缝焊接结束时的温度场云图，第五道焊缝焊完时热源中心温度为2212℃；
[0146]
图12为本发明提供的第六道焊缝焊接结束时的温度场云图，第六道焊缝焊完时热源中心温度为2218℃；
[0147]
图13为本发明提供的第七道焊缝焊接结束时的温度场云图，第七道焊缝焊完时热源中心温度为2362℃；
[0148]
图14为本发明提供的全部焊缝焊接结束后冷却600s的温度场云图，全部焊缝焊接结束后冷却600s，最高温度为99.54℃。
[0149]
图15为本发明提供的全部焊缝焊接结束后冷却6000s的温度场云图，全部焊缝焊接结束后冷却6000s，最高温度为26.48℃。
[0150]
从以上的图中可以看出焊缝处的温度最高，7道焊缝熔池温度都在2200～2400℃左右，远离焊缝区的温度逐渐降低。
[0151]
对于应力场，本发明提供的应力场云图如图16所示，图16是冷却6000s后的等效残余应力场，其焊缝残余应力主要集中在焊缝及热影响区处，其中最大的残余应力出现在焊缝处，大小为755.2mpa。靠近圆管附件的焊缝应力比靠近接头处的应力偏大。
[0152]
根据上述对接环形焊缝焊接数值计算方法，能够准确地计算得到焊接过程的温度场及应力场，根据不同焊接参数下的模拟结果，进行数据分析比较，从而得到较优的焊接参数及焊接工艺。本发明将有限元数值模拟与数据分析相结合，极大提高了工作效率，降低了试验成本，同时具有操作简便的特点，并保证了准确性的要求。可以理解的是，上述发明仅作为一个具体的实例对本发明进行说明，不作对为本发明限制。
[0153]
图17为本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算系统结构示意图，如图17所示，本发明还提供一种对接环形焊缝焊接数值计算系统，包括：模型设置单元171、参数设置单元172和数值计算单元173；
[0154]
模型设置单元171，用于对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径；
[0155]
参数设置单元172，用于在对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型；
[0156]
数值计算单元173，用于定义目标工况，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。
[0157]
具体的，本发明采用有限元软件预先建立异种钢对接环形焊缝焊接的物理模型，即对接环形焊接模型。可以理解的是，对接环形焊接模型根据本发明实际应用时焊接所用的结构为基础建立，可根据实际需求进行调整，本发明对此不作限定。
[0158]
模型设置单元171，用于将预先建立的对接环形焊接模型导入有限元前处理软件(如hypermesh软件)中，对三维有限元模型进行网格划分，并设置材料特性和焊接路径。
[0159]
可以理解的是，模型的材料特性根据实际焊接时所用材料的物理性质设置，焊接路径根据实际需求进行设置，本发明对此不作限定。
[0160]
参数设置单元172，用于在对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型。
[0161]
可以理解的是，模型的初始条件、边界条件和热源模型可根据实际焊接时的需求进行设置，本发明对此不作限定。
[0162]
数值计算单元173，用于定义目标工况，目标工况即为实际应用时进行焊接所进行的操作，基于对接环形焊接模型，对目标工况下的焊接过程进行模拟，获得温度场、应力场的相关数值结果。
[0163]
通过对温度场和焊后残余应力的分布情况的分析，确定应力分布范围和大小，能够确定在目标工况下，是否存在焊接变形的情况，指导现场实际操作，通过模拟计算的方法来替代传统试验，能够有效弥补传统实验的不足。
[0164]
本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算系统，通过建立的对接环形焊接模型，模拟焊接过程，对接环形焊缝的焊接数值进行计算，确定温度场和应力场，分析焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力的分布情况。在进行实物焊接前进行模拟计算，能够预先明确焊接工艺与焊接变形之间的关系，及时对焊接工艺进行优化调整，有效提高生产效率，保证焊接质量。
[0165]
需要说明的是，本发明提供的对接环形焊缝焊接数值计算系统用于执行上述对接环形焊缝焊接数值计算方法，其具体的实施方式与方法实施方式一致，在此不再赘述。
[0166]
图18为本发明提供的电子设备的实体结构示意图，如图18所示，该电子设备可以包括：
[0167]
处理器(processor)181、通信接口(communications interface)182、存储器(memory)183和通信总线184，其中，处理器181，通信接口182，存储器183通过通信总线184完成相互间的通信。处理器181可以调用存储器183中的逻辑指令，以执行对接环形焊缝焊接数值计算方法，该方法包括：对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径；在对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型；定义目标工况，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。
[0168]
此外，上述的存储器183中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为
独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：
[0169]
u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0170]
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，该方法包括：对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径；在对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型；定义目标工况，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。
[0171]
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的对接环形焊缝焊接数值计算方法，该方法包括：对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径；在对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型；定义目标工况，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。
[0172]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0173]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
[0174]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种对接环形焊缝焊接数值计算方法，其特征在于，包括：对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径；在所述对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型；定义目标工况，根据所述对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。2.根据权利要求1所述的对接环形焊缝焊接数值计算方法，其特征在于，在所述对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径的步骤之前，还包括：基于第一焊接件、第二焊接件和焊缝的物理结构，分别建立三维几何模型；基于所述三维几何模型，确定对接环形焊接模型。3.根据权利要求1所述的对接环形焊缝焊接数值计算方法，其特征在于，所述对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径，具体包括：对预先建立的对接环形焊接模型，根据预设网格划分规则，划分网格；基于所述对接环形焊接模型的材料热物理性能和力学性能，设置材料特性并建立焊接路径。4.根据权利要求3所述的对接环形焊缝焊接数值计算方法，其特征在于，所述对预先建立的对接环形焊接模型，根据预设网格划分规则，划分网格，具体包括：基于所述对接环形焊接模型的几何对称性，确定模型最小对称单元；根据所述预设网格划分规则，对所述模型最小对称单元划分网格；其中，接近焊缝区域网格单元划分密集，远离焊缝区域网格单元划分稀疏；基于所述划分网格后的模型最小对称单元，确定划分网格后的对接环形焊接模型。5.根据权利要求1-4任一项所述的对接环形焊缝焊接数值计算方法，其特征在于，所述初始条件包括：初始温度和环境温度；所述边界条件为位移约束条件；所述热源模型为双椭球热元模型。6.根据权利要求5所述的对接环形焊缝焊接数值计算方法，其特征在于，所述位移约束条件为焊件在焊接过程中不发生位移。7.根据权利要求1-4任一项所述的对接环形焊缝焊接数值计算方法，其特征在于，所述定义目标工况，根据所述对接环形焊接模型，确定温度场和应力场，具体包括：定义目标工况，确定焊接步骤和冷却步骤；基于所述焊接步骤和冷却步骤，根据所述对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。8.一种对接环形焊缝焊接数值计算系统，其特征在于，包括：模型设置单元、参数设置单元和数值计算单元；所述模型设置单元，用于对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径；所述参数设置单元，用于在所述对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型；所述数值计算单元，用于定义目标工况，根据所述对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至7任一项所述的对接环形焊缝焊接数值计算方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的对接环形焊缝焊接数值计算方法。

技术总结
本发明提供一种对接环形焊缝焊接数值计算方法及系统，其中，方法包括：对预先建立的对接环形焊接模型划分网格，设置材料特性和焊接路径；在对接环形焊接模型中设置相应的初始条件、边界条件和热源模型；定义目标工况，根据对接环形焊接模型，确定温度场和应力场。能够实现对接环形焊缝的焊接数值的模拟计算，确定焊接过程中的温度变化以及焊后残余应力，有效提高生产效率，保证焊接质量。保证焊接质量。保证焊接质量。


技术研发人员：周洲 陈辉 董棋龙 刘洪岩 邓冉 朱安陆 赵博 孙民
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：2023.04.17
技术公布日：2023/7/25