[发明专利]预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法

权利要求书

1.一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法,其特征在于：包括以下步骤：

S1建立接头拉伸力学行为分析的材料本构模型；

S2建立接头拉伸力学行为分析的物理模型；

S3根据S1中材料本构模型和S2物理模型，构建接头力学行为分析的有限元模型，分析接头的力学行为；

所述步骤S1包括以下步骤：

S(1.1)采用TIG焊工艺对平板进行对接焊，在距离焊缝(1)中心由近及远相隔3～5mm距离的不同位置处预埋热电偶，用温度采集仪记录焊接过程中接头各个区域的温度-时间曲线；

S(1.2)根据步骤S(1.1)温度-时间曲线测量结果，制定热模拟控温参数，采用热模拟试验机分别制备接头的部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)的热模拟试样；

S(1.3)在步骤S(1.1)焊接后的平板中截取焊缝拉伸试样，在步骤S(1.2)热模拟的试样中分别截取部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)的拉伸试样，在母材(5)中截取母材的拉伸试样；

S(1.4)对步骤S(1.3)制取的焊缝(1)、部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)、母材(5)的拉伸试样进行单向拉伸试验，并用引伸计记录拉伸时的变形，获得拉伸时的力-变形曲线，根据力-变形曲线及试样截面积、引伸计标距，得到各区域拉伸时真应力-真应变曲线，根据各区真应力-真应变曲线，得到各区材料的线性极限应力σ₀、硬化指数n；

S(1.5)在Abaqus中分别建立焊缝(1)、部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)、母材(5)的1:1尺寸拉伸试样模型，采用GTN孔洞损伤断裂模型描述材料的塑性变形及断裂失效行为，通过单向拉伸数值模拟计算，反向标定GTN模型的待定参数：孔洞形核的平均应变ε_n、标准偏差S_n、可发生微孔洞形核的第二相粒子体积分数f_N、开始发生聚合时的孔洞体积分数比f_c、材料断裂时的临界孔洞体积分数比f_F、GTN孔洞损伤模型系数q_i,i＝1,2,3，直至拉伸模拟的力-变形曲线结果与步骤S(1.4)的力-变形曲线试验结果相差小于5％；

所述步骤S2包括以下步骤：

S(2.1)根据步骤S(1.1)中平板对接试验的焊接工艺参数，建立热源模型模拟平板对接过程的温度场，根据步骤S(1.1)中温度循环测量结果，不断校准热源模型和修改边界条件设置，直至温度场模拟结果与步骤S(1.1)实测值相差小于5％，确定接头中部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)的峰值温度分布；

S(2.2)在步骤S(1.1)焊接试板中截取接头的横截面金相试样，测量接头中的焊缝(1)余高轮廓、熔合线轮廓尺寸；

S(2.3)根据S(2.1)的峰值温度分布数值模拟结果，每隔20℃至50℃，提取峰值温度从焊缝熔合线温度至200℃的位置及形状；

S(2.4)根据以上S(2.2)、S(2.3)的结果，构建涵盖焊缝(1)、部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)、母材(5)的接头物理模型；

所述步骤S3包括以下步骤：

S(3.1)在Abaqus中建立接头的几何模型，并将几何模型按S(2.4)接头物理模型剖分成焊缝(1)、部分熔化区(2)、过时效区(3)、热影响区(4)、母材(5)，各区按S(1.4)、S(1.5)结果，设置不同的材料属性及本构模型参数；

S(3.2)在Abaqus中划分接头网格，在焊缝(1)、部分熔化区(2)采用细网格，并逐渐过渡到过时效区(3)，热影响区采用较粗的网格；

S(3.3)在Abaqus中设置力、位移边界条件，以及加载方式和数值；

S(3.4)在Abaqus中设置分析步，采用动力显示算法计算接头加载过程中的应力、应变、力、变形量及断裂过程。

2.根据权利要求1所述的一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法，其特征在于：所述步骤S(1.2)中，制定热模拟控温参数包括：加热速率、冷却速率、峰值温度、保温时间。

3.根据权利要求1所述的一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法，其特征在于：所述步骤S(1.2)中，热模拟试验机为Gleeble1500D。

4.根据权利要求1所述的一种预测时效强化铝合金TIG焊接头断裂过程的有限元模拟方法，其特征在于：所述S(2.3)中，焊缝熔合线温度为643℃。