[发明专利]一种耐热钢焊接的残余应力预测方法

权利要求书

1.一种耐热钢焊接的残余应力预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、建立耐热钢结构进行焊接的几何模型，输入材料的热物理参数和温度边界条件；

步骤2、在步骤1建立的几何模型上施加热载荷，逐步进行温度场的计算；

步骤3、根据每个分析步中温度场的计算结果，进行组织场计算；

步骤4、根据组织场计算结果，将马氏体相变产生的潜热作为内生热源加入到温度场计算中；

步骤5、将步骤4得到的温度场作为预定义场，输入材料的力学性能参数，进行应力场的计算。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括：

步骤1.1、在有限元软件ABAQUS中建立耐热钢焊接三维结构模型；

步骤1.2、对耐热钢焊接三维结构模型赋予材料属性；

步骤1.3、对耐热钢焊接三维结构模型进行网格划分；

步骤1.4、设置温度边界条件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1.3中，网格划分采取焊缝和热影响区网格细化，远离焊缝和热影响区的网格相对粗化的办法，细化和粗化的网格之间采取过度网格进行连接。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤1.4中所述设置温度边界条件包括设置环境温度、设置对流换热系数、设置辐射换热系数；

对流传热系数按照下式取值：

式中：h_c为对流换热系数，单位为W/m²·k；T为焊接时材料的温度；

辐射换热系数h_R按照下式取值：

式中：ε为辐射发射率；σ为Stefan常数，单位为W/(m²·k⁴)，T₀为环境温度；

总的换热系数h按照下式计算：

h＝h_c+h_R。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2包括：焊接的热载荷采用双椭球体热源模型，其中双椭球热源密度q由q₁，q₂两部分组成，其数学表达式如下：

总热源表达式为：q(x,y,z)＝q₁(x,y,z)+q₂(x,y,z)

Φ为热输入，由下式计算：

φ＝ηUI，

式中，x,y,z为双椭球体热源模型中任意一点的坐标；f_f、f_r为热源前后端分别占总热源的比例；f_f+f_r＝2；a、b、c为热源的形状参数；η为焊接热源热效率；U、I分别为焊接所输入的电压与电流。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤3中，在组织场计算中，设定当温度降低到M_f时，组织全部转变为马氏体，则马氏体的转变量Δf_m计算公式如下：

Δf_m＝1.17{-0.011exp[0.011(T-M_S)]}ΔT

其中，ΔT为温度变化量，M_s为马氏体相变开始温度，M_f为马氏体相变结束温度，M_f≤T≤M_S。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤4包括：马氏体相变潜热释放的热量大小的计算公式如下：

q为单位时间内热量的大小，单位为J/s；Δh为马氏体相变过程中焓值的改变，单位为J；Δf_m为马氏体转变量的多少；Δt为转变时间，单位为s。