提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法
【专利摘要】本发明涉及一种提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，属于焊接分析预测领域。主要用于提高焊接数值模拟与工程实际的吻合程度，作为焊接工程应用中，有效提高仿真精度建立的新的数值方法。本发明主要分为五个步骤，即：建立对应的多误差估计的评价准则、定义参数、将温度场结果作为初始条件加入到位移场的计算中、对模型的所有节点检查截断条件、循环载荷步求解。本发明能够很好地并快速地模拟焊接结构变形，满足焊接分析预测阶段对仿真精度的需要，避免了大量实验对人力物力的巨大要求，从而实现了对焊接实际较为精准的分析，节省了设计成本。实用性强。
【专利说明】提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及属于焊接分析预测领域，特别涉及一种提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，主要用于提高焊接数值模拟与工程实际的吻合程度。具体涉及解决位移场结构最终变形精度问题的策略，作为焊接工程应用中，有效提高仿真精度建立的新的数值方法。
【背景技术】
[0002]焊接数值模拟主要研究以温度和位移为变量的耦合计算，需要采用顺序耦合的分析方式，先进行温度场的计算，再将计算结果作为初始条件加入到位移场的计算中。在位移场的计算中，有待解决的是热源温度经常高达材料沸点，导致单元畸变，位移解发散，如何建立一种方法可以避免高温，同时提高结果精确度成为一个亟待解决的问题。
[0003]关于解算位移场中如何避免高温且使最终变形达到一定的精度的问题，早在1991年，P.Tekriwal等通过对薄板间进行高温气体电弧焊的研究得出，当焊接温度高于熔点时，温度值的增加对残余应力和残余变形的计算结果影响很小。因此，将熔点以上的高温都降低为熔点温度。这初步形成了高温截断的思想，但熔点以下的温度值是否有更好的仿真效果却没有加以考虑。2004年X.K.Zhu等对板间采用搅拌摩擦焊的研究中发现，当截断温度在熔点以下一定范围内，随着截断温度的变化，残余应力的改变值比较微小，而随着截断温度的降低，计算时间却大大减小，因此将截断温度取为熔点的2/3。遗憾的是，作者并没有很好的考虑焊接变形的精度问题，对截断温度的选取很难有强大的说服力。2009年，J.Grirao等在研究ITER真空室侧壁板间焊接时依然沿用了高温截断的方法，但在截断温度的选取上仅仅是为了加速计算收敛，同样没有考虑精度问题。目前，在国外，尚无具体的方法解决此类问题，而国内此类问题的研究则少之又少。通过国内外相关文献搜索，在焊接仿真分析领域中，未发现有类似的针对位移场有效的提高仿真精度的方法。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，解决了现有焊接仿真领域中不能很好的模拟结构最终变形的问题，本发明提出一种准确模拟结构变形的数值方法，即利用转化高温区为截断温度的机理，设计了一种提高位移场仿真精度的快速数值分析方法。本发明通过大量试验以及数值模拟，针对焊接仿真中出现的这类难题，提出自适应高温截断方法，这种方法能够克服过往研究的种种弊病，在解算位移场时，科学的选取了截断温度，建立了自适应高温截断技术，并提出截断参数的阈值优化方法，同时，设计了优化评价准则。避免了高温导致的单元畸变，位移解发散的窘境，在大大节省计算时间的基础上，提高了仿真模拟的精度。
[0005]利用此方法，可以在解算位移场的过程中，基于材料属性对截断温度进行阈值优选，建立自适应高温截断策略，得到收敛且较为精确的位移解。本发明提供的数值方法能够更精确的模拟焊接结构最终变形，可应用于焊接分析预测领域提高数值模拟的精度。[0006]本发明的上述目的通过以下技术方案实现:
提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，包括如下步骤:
在解算位移场的过程中:
(1)建立基于多误差加权的评价标准；
(2)定义参数并对截断温度进行阈值优化；
(3)将温度场结果作为初始条件加入到位移场的计算中；
(4)对模型的所有节点检查截断条件；
(5)循环载荷步求解。
[0007]其中，所述步骤(I)的建立基于多误差加权的评价标准是:基于多误差加权的分析方法建立结果优劣的评价标准；评价标准兼顾模型精度和仿真计算时间，并根据模型的不同进行相应的修改与拓展，为焊接数值模拟的结果评价提供良好的参照标准。
[0008]所述步骤(2)的定义参数并对截断温度进行阈值优化是:定义模型的节点总数、载荷步总数以及截断温度。截断温度的确定是整个高温截断流程的重中之重。为了寻求最优的截断温度，需要对截断温度的范围加以限制。由于在焊接过程中，温度在熔点以上，温度值的增加对残余应力和残余变形的计算结果影响很小；而在力学熔点以下，又很难满足位移解精度的要求。因此，将截断温度的阈值设定为材料熔点和力学熔点。
[0009]所述步骤(3)的将温度场结果作为初始条件加入到位移场的计算中是:由于焊接数值模拟主要研究的是以温度和位移为变量的耦合计算，而温度场的计算比较容易，且不会发生解发散的情况。采用顺序耦合的分析方式，先进行温度场的计算，得出温度场的计算结果后将其作为初始条件加到位移场的计算中，得到各节点的初始温度值。
[0010]所述步骤(4)的对模型的所有节点检查截断条件是高温截断方法的核心部分，其目的是在位移场中把温度控制在一定范围内，忽略高温区微弱的影响，这样可以有效的防止单元畸变和解的发散，且不改变解的精确性；具体方法包括对模型的所有节点检查截断条件，如果温度值大于截断温度，则删除节点处的初始温度，并对其施加上截断温度，再进行位移场的计算。
[0011]所述步骤(5 )的循环载荷步求解是对不同载荷步循环应用步骤(3 )和(4 )进行求解，得到不同时刻的位移场；当最后一个载荷步求解完毕后，即得到模型最终的残余变形。
[0012]本发明的有益效果在于:通过焊接数值模拟提出的自适应高温截断方法，能够很好的模拟结构最终变形，提高仿真精度。满足焊接分析预测阶段对仿真精度的需要，避免了大量实验对人力物力的巨大要求，从而实现了对焊接实际较为精准的分析，节省了设计成本。实用性强。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0014]图1为本发明的流程图；
图2为本发明的截断温度阈值优化流程图；
图3为T型接头焊接温度场示意图；
图4为T型接头应用自适应高温截断技术下的最优位移场示意图；图5为T型接头不同截断温度下位移场结果对比示意图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其【具体实施方式】。
[0016]参见图1至图5所示，本发明的提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，包括如下步骤:
在解算位移场的过程中:
(6)建立基于多误差加权的评价标准；
(7)定义参数并对截断温度进行阈值优化；
(8)将温度场结果作为初始条件加入到位移场的计算中；
(9)对模型的所有节点检查截断条件；
(10)循环载荷步求解。
[0017]其中，所述步骤(1)的建立基于多误差加权的评价标准是:基于多误差加权的分析方法建立结果优劣的评价标准；评价标准兼顾模型精度和仿真计算时间，并根据模型的不同进行相应的修改与拓展，为焊接数值模拟的结果评价提供良好的参照标准。
[0018]所述步骤(2)的定义参数并对截断温度进行阈值优化是:定义模型的节点总数、载荷步总数以及截断温度。截断温度的确定是整个高温截断流程的重中之重。为了寻求最优的截断温度，需要对截断温度的范围加以限制。由于在焊接过程中，温度在熔点以上，温度值的增加对残余应力和残余变形的计算结果影响很小；而在力学熔点以下，又很难满足位移解精度的要求。因此，将截断温度的阈值设定为材料熔点和力学熔点。
[0019]所述步骤(3)的将温度场结果作为初始条件加入到位移场的计算中是:由于焊接数值模拟主要研究的是以温度和位移为变量的耦合计算，而温度场的计算比较容易，且不会发生解发散的情况。采用顺序耦合的分析方式，先进行温度场的计算，得出温度场的计算结果后将其作为初始条件加到位移场的计算中，得到各节点的初始温度值。
[0020]所述步骤(4)的对模型的所有节点检查截断条件是高温截断方法的核心部分，其目的是在位移场中把温度控制在一定范围内，忽略高温区微弱的影响，这样可以有效的防止单元畸变和解的发散，且不改变解的精确性；具体方法包括对模型的所有节点检查截断条件，如果温度值大于截断温度，则删除节点处的初始温度，并对其施加上截断温度，再进行位移场的计算。
[0021]所述步骤(5)的循环载荷步求解是对不同载荷步循环应用步骤(3)和(4)进行求解，得到不同时刻的位移场；当最后一个载荷步求解完毕后，即得到模型最终的残余变形。
[0022]参见图1所示，为本发明的高温截断方法流程图，由图可知，此部分具体包括四个步骤:
(a)、截断参数的准备，即在求解位移场的命令流里加入模型节点总数K、载荷步总数截断温度7?的定义；
(b)、导入第7个载荷步的温度场结果， 此时各节点的初始温度值为乃；
(C)、对模型的所有节点检查截断条件，如果满足I ,则进行截断处理，即删除j节点的初始温度^，并对其施加上截断温度1? ；
(d)、一轮截断处理完成后，即J=?,进行第i个载荷步的位移场求解，计算完毕则返回步骤(C)，进行下一轮截断处理，直至满足I = F。
[0023]由双椭球热源模型的连续衰减模式可知，温度区间为的节点必能构成一个封闭的椭球域，其中Tmi为热源中心的最高温度。高温截断处理后，域内所有节点温度
均为，这不仅降低了单元畸变的风险，同时增强了计算的稳定性和解的可靠性。
[0024]参见图2所示，为截断温度阈值优化流程图。截断温度的确定是整个高温截断流程的核心。为了寻求最优的截断温度，将截断温度Tai的阈值设定为材料熔点和力学熔点。
当材料不同时，可根据材料属性相应的修改Tm的阈值，从而实现高温截断技术对截断温度选取的自适应控制。本实施例选用材料为S355J2G3，确定ΤΛ的可行域为[973Κ，1673Κ]，定义优化目标C，采用单步搜索的迭代策略，迭代起点为973Κ，终点为1673Κ，选择步长A = IOOK进行搜索最优值，当缩减步长时，可以更贴近最优的截断温度，但势必增加巨大的计算量。为简略，本实施例选择973Κ、1173Κ、1373Κ、1473Κ、1673Κ五个代表温度进行分析说明。
[0025]针对T型接头的位移场分析，建立结果评价方式，下面具体介绍。
[0026]为了说明本次优化的目标C，定义两侧翼缘相对于基准面的最大变形值IJ1和112
，.^和^了的实验值分别是.^和卩的相对误差为叫=—兮一,TJ的相对误差为
【权利要求】
1.一种提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，其特征在于:包括如下步骤: 建立基于多误差加权的评价标准； 定义参数并对截断温度进行阈值优化； 将温度场结果作为初始条件加入到位移场的计算中； 对模型的所有节点检查截断条件； 循环载荷步求解。
2.根据权利要求1所述的提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，其特征在于:所述步骤(I)的建立基于多误差加权的评价标准是:基于多误差加权的分析方法建立结果优劣的评价标准；评价标准兼顾模型精度和仿真计算时间，并根据模型的不同进行相应的修改与拓展，为焊接数值模拟的结果评价提供良好的参照标准。
3.根据权利要求1所述的提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，其特征在于:所述步骤(2)的定义参数并对截断温度进行阈值优化是:定义模型的节点总数、载荷步总数以及截断温度，将截断温度的阈值设定为材料熔点和力学熔点。
4.根据权利要求1所述的提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，其特征在于:所述步骤(3)的将温度场结果作为初始条件加入到位移场的计算中是:采用顺序耦合的分析方式，先进行温度场的计算，得出温度场的计算结果后将其作为初始条件加到位移场的计算中，得到各节点的初始温度值。
5.根据权利要求1所述的提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，其特征在于:所述步骤(4)的对模型的所有节点检查截断条件是高温截断方法的核心部分，其目的是在位移场中把温度控制在一定范围内，忽略高温区微弱的影响，这样可以有效的防止单元畸变和解的发散，且不改变解的精确性；具体方法包括对模型的所有节点检查截断条件，如果温度值大于截断温度，则删除节点处的初始温度，并对其施加上截断温度，再进行位移场的计算。
6.根据权利要求1所述的提高焊接仿真位移解精度的快速自适应高温截断优化方法，其特征在于:所述步骤(5)的循环载荷步求解是对不同载荷步循环应用步骤(3)和(4)进行求解，得到不同时刻的位移场；当最后一个载荷步求解完毕后，即得到模型最终的残余变形。
【文档编号】G06F19/00GK103678926SQ201310711761
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】刘念, 徐涛, 刘东凯, 张炜, 于征磊 申请人:吉林大学