基于固有應變法的焊接殘余應力數值模擬集成插件設計

董昊 王博士 沐衛東 蔡艷

摘要：基于固有應變法的數值模擬是一種常用的焊接結構殘余應力模擬方法，其計算量小，適用于結構復雜、焊縫眾多的場合。運用Abaqus實現固有應變法焊接數值模擬需要操作者具有較強的軟件運用能力，建立大型構件并施加大量焊縫的固有應變時操作量很大，且包含大量重復操作，耗費大量時間。設計了一款基于Abaqus平臺的焊接固有應變法數值模擬建模的集成插件，該插件通過解析計算法獲得焊縫的固有應變數值，劃分焊縫區域并施加固有應變，進行模型完善并建立模擬作業。插件簡化了固有應變法數值模擬的操作流程，降低了軟件的使用門檻，計算結果可靠性高，滿足工程應用要求，可用于實際結構設計和評估。

關鍵詞：數值模擬;固有應變;集成插件;解析計算

中圖分類號：TG404 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）11-0023-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.05

0 前言

焊接是制造業中最常用且最重要的技術之一，焊接過程中對焊縫和近焊縫區域進行快速加熱和冷卻，會對焊縫區域的材料產生熱力作用。焊后，殘余的焊接應力和變形會殘留在接頭區域，形成一個不均勻的應力場和變形，稱為焊接殘余應力和焊接殘余變形。焊接殘余應力和殘余變形會對焊接接頭的承載能力、服役性能等產生不良的影響[1]。因此，準確評估和測量接頭焊接殘余應力和變形對于評估結構的性能至關重要。借助計算機數值模擬技術，研究者可以在避免進行大量實驗的情況下對焊接殘余應力和變形進行預測和評估，從而為實際焊接工藝和結構的設計提供參考。

焊接數值模擬方法主要包括熱彈塑性有限元法和固有應變法。熱彈塑性有限元法可以模擬整個焊接過程，精度較高，但計算量大，不適用于大型構件和復雜焊縫分布的情況。固有應變法通過在焊接接頭處施加焊接固有應變，進行一次彈性計算，即可獲得整個結構的應力應變結果，大大減少了計算量和計算時間[2]。

Abaqus是一個用于數值模擬的商業軟件，被廣泛應用于焊接數值模擬問題。由于該軟件專業性較強，操作難度較高，研究者需要花費大量的時間和精力學習軟件的操作方法和流程，對于短期項目和小規模項目效率較低。而且多次進行焊接固有應變數值模擬時常常包含大量的重復操作，也會浪費大量的時間和精力。另一方面，Abaqus軟件提供了圖形化用戶界面插件的實現接口，允許開發者自己設計具有圖形化界面的軟件插件，將常用、復雜或重復的操作集成起來，方便用戶多次使用。

文中使用Abaqus軟件的圖形化用戶界面插件編程接口，實現了基于解析計算法的固有應變數值計算、焊縫區域劃分、固有應變施加、簡單網格劃分、計算作業建立和運行等流程，簡化了應用Abaqus軟件進行焊接固有應變數值模擬的操作，為非數值模擬專業人士的用戶進行數值模擬評估提供了便利，提高了使用固有應變數值模擬分析方法評估焊接殘余應力和變形的效率。

1 焊接固有應變理論及其解析計算法

焊接固有應變理論是由日本學者Ueda等[3-4]提出的。該理論指出，焊接過程中產生的總應變εtotal可表示為：

式中 εelastic為焊接過程中產生的彈性應變;εthermal為熱應變;εplastic為塑性應變;εcreep為蠕變應變;εphase為相變應變。對于自由無約束狀態下的材料，其產生的應變為總應變中除去彈性應變的部分，該部分應變被稱為焊接固有應變ε*，即：

通常，焊接過程中的熱應變會在熱循環結束后消失。如果焊接過程中由蠕變和相變產生的應變可以忽略不計的話，焊接固有應變的數值可以近似等于焊接過程中產生的塑性應變：

固有應變理論認為，焊縫及其附近存在的固有應變是決定焊接殘余應力和變形的原因。通過將預先計算或測量得到的固有應變數值載入數值模擬模型中，并進行一次彈性計算，可以得到焊件的殘余應力和變形的分布和大小[5]。焊接固有應變可以通過實驗測量、熱彈塑性模擬和解析計算方法得到，其中解析計算法實現簡單，無需高額的實驗成本或長時間的模擬計算，非常適合小規模或精度要求不高的工程項目。Xiu L等[6]總結了使用解析計算法計算對接和T型接頭焊接的橫向和縱向固有應變的公式和方法，利用該方法可以快速且簡便地計算出焊縫固有應變的近似值。實際在數值模擬過程中應用固有應變法時，通常將固有應變數值轉化為材料的各向異性熱膨脹系數，將該材料屬性施加至固有應變作用區域中，并通過對材料施加單位溫度載荷實現固有應變的添加。

2 Abaqus圖形化界面插件二次開發

Abaqus是一款常用的數值模擬軟件，軟件為用戶提供了很多二次開發方式，其中圖形化用戶界面插件可以為開發者編寫好的腳本程序提供執行界面，允許腳本向用戶索要輸入參數信息并執行腳本，從而將腳本集成至Abaqus軟件之中，方便多次重復調用。Abaqus插件使用Python編程語言實現，創建一個功能完整的插件需要開發者編寫插件注冊腳本、圖形界面腳本和執行函數腳本，分別定義了插件的主體結構、圖形界面結構和具體實現的功能。Abaqus軟件提供了一套完整的幫助文檔來輔助開發者編寫插件程序。

Abaqus固有應變法數值模擬建模插件根據不同的功能和步驟主要包含三個部分，分別是固有應變計算插件、焊縫區域劃分及固有應變施加插件和模型完善及模擬作業建立插件。其中焊縫劃分及固有應變施加部分根據不同的模型類型和接頭形式又可以分成幾個類別。插件的結構如圖 1所示。

將插件文件放置到Abaqus軟件指定的插件安裝目錄即可將插件集成至Abaqus軟件中，并在啟動Abaqus軟件后直接使用。本插件也提供簡易的安裝包和使用說明文檔，以簡化安裝和使用步驟。

3 建模插件的執行

3.1 固有應變計算

此部分功能是負責收集解析計算法計算固有應變所需的基本條件，執行計算過程并輸出計算結果，使用固有應變解析計算法進行固有應變的計算。對接接頭固有應變計算功能的插件界面如圖2所示。

執行該部分功能時，應在插件界面輸入各層焊接的熱輸入信息和焊接速度信息、焊接區域材料的性能參數和施加固有應變區域的寬度和高度（厚度）。插件會根據預設公式計算出該道焊縫的縱向和橫向固有應變大小，并以對話框的形式輸出計算結果。

3.2 焊縫區域劃分及固有應變施加

此部分功能負責幫助用戶將焊縫區域從模型中提取出來，并自動將用戶輸入的固有應變數值以各向異性熱膨脹系數的形式施加到劃分出來的區域上。三維實體單元的對接焊縫區域劃分及固有應變施加功能的插件界面如圖3所示。

在執行該功能時，插件需要用戶根據提示選取用于確定焊縫方位的數個特征點，特征點根據不同的接頭類型和單元類型略有區別。三維實體單元對接焊縫的特征點位置如圖4所示。為了確定三維對接焊焊縫的方位，需要輸入6個幾何特征點。插件通過計算獲得焊縫的幾何方位，根據用戶輸入的模型基本信息和施加固有應變的區域的寬度，將輸入的固有應變的數值（可以使用插件計算，也可以使用其他方法得到）計算轉化為適用于該焊縫的各向異性熱膨脹系數，建立該焊縫的材料屬性、截面屬性，并加載到對應位置，完成焊縫區域劃分和固有應變施加的操作。若結構中包含多條焊縫，只需重復運行插件即可，有效降低了工作量。

3.3 模型完善及模擬作業建立

在執行該功能時，插件需要輸入模型的相關的基本信息，選擇模型的單元類型并輸入網格劃分的整體尺寸。插件將自動完成整體均勻網格劃分、單步彈性計算分析步的建立、溫度值為-1 K的溫度載荷施加、模擬作業建立和模擬作業執行的工作。該部分的插件界面如圖 5所示。

4 建模插件的工程應用實例及其可靠性驗證

文中以Q550E高強鋼不等厚對接焊的固有應變法數值模擬為例，演示建模插件的應用效果，材料的化學組成如表1所示。材料的性能屬性可以通過力學試驗或經驗公式計算等方法獲得。接頭分三層進行焊接，各層的焊接工藝參數如表2所示，焊接件的尺寸如圖6所示。

在Abaqus內分別建立該實例的板殼單元模型和實體單元模型。建立基本模型后，首先執行焊接固有應變計算過程。本模型的固有應變施加區域為焊縫兩側的一個矩形區域，其寬度為16 mm，厚度為7 mm。將模型相關信息、固有應變施加區域的尺寸和材料相關的熱物理參數輸入后，計算得到材料的縱向和橫向固有應變分別為0.030 77和0.075 62。分別對板殼單元模型和實體單元模型執行焊縫區域劃分和固有應變施加，其結果如圖7所示，粗線區域為固有應變施加的區域。

對模型添加裝配并施加三點限制平動的約束之后，即可運行插件的第三部分，進行模型的完善和模擬作業的建立，使用的網格尺寸為2 mm。模型的網格劃分和約束設立情況如圖8所示。

運行插件建立的模擬作業，完成計算后獲得的模型應力場分布結果如圖 9所示。

為驗證本插件模擬結果的準確性，測量了實際焊接件殘余應力場的分布。焊接實驗使用的材料、尺寸和工藝參數與數值模擬相同。依據GB/T 31310-2014標準《金屬材料殘余應力測定-鉆孔應變法》進行盲孔法殘余應力的測量，使用三維應變花（BFH 120-3CA-D100）以及DH3823應變采集器，在板材中央處沿著垂直于焊縫的方向測量多個點的Mises應力大小，測量位置如圖 10所示。

獲取固有應變插件建模的板殼單元和實體單元兩種數值模擬的Mises應力結果，將其與實際測量得到的殘余應力結果進行對比，如圖 11所示。可以看出，兩種單元的建模方式獲得的殘余應力模擬結果基本吻合。與實驗測量得到的殘余應力數值相比，數值模擬得到的結果誤差較小。使用本插件建模并進行模擬計算得到的結果具有較強的參考價值。

由上述結果可以看出，本插件可以實現固有應變法焊接數值模擬的建模全過程，并得到焊件的殘余應力分布，其結果與實際測量得到的殘余應力結果相近，對于工程實際快速評估結構件焊接殘余應力具有較強的參考價值。集成插件簡化了數值模擬的操作流程，具有一定的工程意義。

5 結論

（1）設計了基于解析計算法的Abaqus焊接固有應變法數值模擬建模插件，插件分為固有應變計算、焊縫區域劃分及固有應變施加、模型完善及建立模擬作業三部分。

（2）集成插件基于用戶輸入的結構模型和材料屬性計算焊縫固有應變;基于用戶輸入的焊縫特征點確定焊縫位置，并對焊縫進行區域劃分;將固有應變數值以各向異性熱膨脹系數的形式加載到指定區域中;根據用戶設定的網格尺寸參數對模型進行均勻網格劃分，完成分析步建立、溫度載荷施加、建立模擬作業和運行模擬作業的流程，最終獲得模擬結果。

（3）采用集成插件方法完成不等厚對接焊縫的殘余應力模擬，并對比計算結果和實際測得的殘余應力值，結果證明集成插件方法的模擬結果可以作為工程實際結構設計和評估的參考。

（4）本建模插件簡化了固有應變法焊接數值模擬的操作流程，減少了大規模建模的重復操作，降低了使用Abaqus執行固有應變法焊接數值模擬的應用難度，具有一定的工程應用價值。

參考文獻：

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