T_CSTM 00825-2023 焊接残余应力有限元计算导则.pdf

学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载 ICS 21.020 CCS J 04 团 体 标 准 T/CSTM 008252023 焊接残余应力有限元计算导则 Guide for finite element calculation of welding residual stress 2023-11-17 发布 2024-02-17 实施 中关村材料试验技术联盟 发布 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008252023 目 次 前 言.II 1 范围.1 2 规范性引用文件.1 3 术语和定义.1 4 符号和说明.4 5 分析流程.5 6 输入信息采集.5 7 确定有限元分析软件.7 8 有限元建模.7 9 顺序耦合分析方法.8 10 温度场分析.8 11 组织场分析.11 12 应力场分析.12 13 技术文件.13 附录 A（资料性）起草单位和主要起草人.15 参考文献.15 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008252023 II 前 言 本文件参照 GB/T 1.12020标准化工作导则第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容有可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。本文件由中国材料与试验标准化委员会特种设备标准化领域委员会(CSTM/FC55)提出。本文件由中国材料与试验标准化委员会特种设备标准化领域委员会(CSTM/FC55)归口。学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008252023 1 焊接残余应力有限元计算导则 1 范围 本文件规定了金属熔焊残余应力“温度-组织-应力”耦合有限元计算方法的术语和定义、符号及说明、分析流程、输入信息采集、确定有限元分析软件、有限元建模、顺序耦合分析方法、温度场分析、组织场分析、应力场分析、技术文件等内容。本文件适用于金属熔焊残余应力的有限元计算分析。2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T 3375 焊接术语 GB/T 31054 机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语 3 术语和定义 GB/T 3375 和 GB/T 31054 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1 有限元法 finite element method 将连续的求解域离散为有限个单元，并在给定约束条件下，利用有限单元的近似解逼近真实物理系统的数值分析方法。来源：GB/T 310542014,2.1.2 3.2 有限元分析 finite element analysis 基于有限元法的结构性能分析。来源：GB/T 310542014,2.1.3 3.3 有限元模型 finite element model 以有限数量单元的组合逼近产品结构的模型，或更一般的物理系统结构的模型。来源：GB/T 310542014,2.2.3 3.4 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008252023 2 有限元建模 finite element modeling 构建有限元模型的过程，包括几何模型处理、有限单元设置和网格划分等步骤。来源：GB/T 310542014,2.2.4 3.5 单元 element 具有几何、物理属性的最小求解域。来源：GB/T 310542014,2.1.4 3.6 节点 node 单元之间的铰接点。注：每个单元仅在节点处和相邻单元及外部发生联系。来源：GB/T 310542014,2.1.5 3.7 边界条件 boundary conditions 在给定工况下，求解域边界上的几何、物理条件，如力、温度、速度和位移等。来源：GB/T 310542014,2.2.7 3.8 材料性能 material properties 材料的力学、热物理性能等参数。来源：GB/T 310542014,2.2.8 3.9 焊接残余应力 welding residual stress 焊接件在焊接热过程中因变形受到约束而残留的内应力。来源：GB/T 33751994,2.120 3.10 纵向 longitudinal direction 对于平板焊接，沿焊接长度的方向。3.11 横向 transverse direction 对于平板焊接，垂直于焊接长度的方向。3.12 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008252023 3 法向 normal direction 对于平板焊接，垂直于由纵向和横向确定的平面的方向，即沿厚度方向。3.13 环向/周向 circumferential direction 对于环形结构件焊接，沿焊接长度的方向。3.14 轴向 transverse direction 对于环形结构件焊接，垂直于焊接长度的方向。3.15 径向 radial direction 对于环形结构件焊接，垂直于由纵向和横向确定的平面的方向，即沿厚度方向。3.16 热输入 heat input 熔化焊时，输入给单位长度焊缝上的热能。来源：GB/T 33751994,2.97 3.17 道间温度 interpass temperature 多层多道焊时，在施焊后继焊道之前，其相邻焊道应保持的温度。来源：GB/T 33751994,2.112 3.18 连续冷却转变曲线 continuous cooling transformation curve 反映连续冷却条件下组织的转变规律曲线。3.19 等温转变曲线 time temperature transformation curve 反映组织在不同过冷度下等温温度、保持时间与转变产物所占百分数的关系曲线。3.20 扩散型相变 diffusive phase transformation 组织转变通过元素扩散的方式进行，例如奥氏体、珠光体相变等。3.21 非扩散型相变 non-diffusive phase transformation 组织转变过程中不会发生元素的扩散，或者存在扩散作用但不是相变所必须的因素，例如马氏体相变。学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008252023 4 3.22 相变塑性 transformation induced plasticity 材料在相变过程中，载荷低于屈服强度时发生的塑性应变。3.23 相变塑性系数 coefficient of transformation plasticity 表征材料相变塑性特征的参数。3.24 各向同性强化模型 isotropic hardening model 指屈服面尺寸在应力空间的各个方向均匀改变，材料进入塑性变形后，加载曲面在各个方向均匀扩张，但屈服面中心及形状保持不变。3.25 随动强化模型 kinematic hardening model 材料在进入塑性以后，加载曲面在应力空间仅做刚体移动，但其屈服面形状、大小保持不变。3.26 混合强化模型 mixed hardening model 包含各向同性强化和随动强化两部分，在描述屈服面大小演变的同时也考虑了屈服中心的平移。3.27 退火软化效应 annealing effect 焊接过程中材料应变强化的回复现象，即由于动态回复、再结晶和晶粒长大等因素对材料位错的影响，材料累积的塑性应变在一定温度范围内被快速清除。3.28 退火温度 annealing temperature 当温度达到并超过退火温度时，出现退火软化现象，累积塑性应变清零，当温度冷却到退火温度后，塑性恢复。3.29 阶跃退火模型 single-stage annealing model 该模型认为材料达到退火温度以上时完全清除累积的应变强化。3.30 动态退火模型 time-temperature-dependent annealing model 该模型同时考虑退火温度、退火时间对累积应变强化清除效应的影响。4 符号和说明 表 1 给出的符号适用于本文件。学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008252023 5 表 1 符号和说明 符号 说明 单位 K 热传导系数 W/m2 K cp 比热容 J/(kg K)密度 kg/m H 热输入 J/m P 电弧功率 J/s I 电流 A U 电压 V 焊接热效率-v 焊接速度 m/s T 瞬时温度 K Trt 室温 K Tm 熔点 K Ta 退火温度 K T 温度范围 K trisT 相变开始温度 K trieT 相变结束温度 K k 相变塑性系数 MPa-1 5 分析流程 焊接残余应力有限元分析流程如图 1 所示：图 1 焊接残余应力有限元分析流程图 6 输入信息采集 6.1 工艺信息 需要采集的焊接工艺信息主要包括：a）焊接方法；b）焊接件整体几何尺寸；学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008252023 6 c）焊接接头形貌宏观截面图；d）焊接热输入：需首先获取电流、电压、焊接速度、焊接热效率；e）焊接坡口：包括坡口形式、坡口角度等；f）起弧收弧位置；g）焊接顺序；h）焊道数量；i）预热温度；g）道间温度及冷却时间；k）机械约束（包括焊接垫板及夹具的使用方式和位置）；l）盖面焊和清根焊的使用；m）焊接热循环曲线。6.2 材料信息 6.2.1 应确定焊材、母材的牌号及其化学成分，当焊材与母材的化学成分接近时，可采用相同的材料参数进行有限元分析；材料属性单位应与几何模型单位一致。可查询相关材料手册或者通过实验测试、材料性能模拟软件获取材料的热物性及力学性能参数。6.2.2 热物性材料参数 如表 2 所示，所需热物性参数包括热传导系数、比热容、密度、相变开始温度、相变结束温度。超过 Tm时，为考虑熔池内流体的对流搅拌作用，应将热传导系数设置为较高的数值（建议可取室温下数值的 3 倍）。表 2 所需热物性参数 参数 温度区间 测试方法 热传导系数 Trt-Tm 激光法导热仪测试 比热容 Trt-Tm 差示扫描量热仪测试 密度 Trt 流体静力称衡法测试 相变开始温度 热模拟试验 相变结束温度 热模拟试验 6.2.3 力学参数 如表 3 所示，所需力学参数包括室温至熔点的弹性模量、强化参数、泊松比、热膨胀系数。为提高有限元计算的收敛性，建议将熔点 Tm以上的弹性模量值及强化参数设置为其室温值的 1%。为考虑金属材料退火软化效应带来的塑性应变消除效果，应该设置退火温度 Ta；退火软化效应通常通过阶跃退火模型或者动态退火模型在有限元软件内实现。对于存在固态相变行为的材料，考虑各个相不同温度下的力学性能参数实验标定难度较大，推荐可基于不同相的元素成分并通过材料性能模拟软件获取各相参数，进而基于线性混合法则和不同相的体积分数得到材料力学性能参数的变化。表 3 所需力学参数 参数 温度区间 测试方法 学兔兔 w w w.b z f x w.c o m 标准下载T/CSTM 008252023 7 弹性模量 Trt-Tm 室温及高温拉伸试验 泊松比 Trt-Tm 室温及高温拉伸试验 强化参数 Trt-Tm 室温及高温拉伸试验 热膨胀系数 Trt-Tm 热膨胀仪示差法试验 7 确定有限元分析软件 采用商用有限元软件或自主编写程序实现焊接应力计算，应具有以下基本功能：a)熔敷金属的添加：为实现焊缝金属的熔敷，软件应具有添加和移除单元的功能，或者可以对单元的材料属性进行控制，实现将焊缝金属在适当的时间“消失”或者“激活”，详见 8.5;b)热源模型的建立：计算软件需能够通过施加节点温度及热流密度，或者在单元上施加热源还原实际焊接热历程;c)材料性能的添加：有限元