一種用于模擬高能束焊接的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型的制作方法
【專利摘要】一種用于模擬高能束焊接的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型，本發(fā)明可根據(jù)高能束焊接實(shí)際焊縫形貌調(diào)節(jié)熱源模型參數(shù)，高效準(zhǔn)確的獲得與實(shí)際焊縫形貌一致的高能束焊縫形貌，能準(zhǔn)確的獲得高能束焊接溫度場和應(yīng)力場，為準(zhǔn)確預(yù)測高能束焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形提供有力測參考依據(jù)。模型中的拐點(diǎn)位置可調(diào)性有助于該模型用于高能束焊接以及復(fù)合焊接模擬的推廣。
【專利說明】一種用于模擬高能束焊接的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型 【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001] 本發(fā)明涉及焊接數(shù)值模擬【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高能束焊接熱源模型，具體涉 及一種用于模擬高能束焊接的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型。 【【背景技術(shù)】】
[0002] 已知的，制造業(yè)的創(chuàng)新和進(jìn)步舉世矚目，而焊接技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展 中起著無可替代的作用；隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的不斷增加，焊接技術(shù)在生產(chǎn)中所占 的份量越來越大，那么焊接技術(shù)水平直接影響著零件或產(chǎn)品的質(zhì)量。其中高能束焊接方法 以其焊接速度快、生產(chǎn)效率高、焊接精度高、能量控制精確、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，大量應(yīng)用 于造船、汽車以及航空航天等領(lǐng)域，而電子束焊、激光焊、激光電弧復(fù)合焊為典型的高能束 焊接方法，高能束焊接過程中伴有匙孔效應(yīng)，束流沿深度方向?qū)ぜM(jìn)行加熱，焊接后形成 深寬比較大的"釘頭"形狀的焊縫。
[0003] 隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用使得焊接熱過程的數(shù)值分析得到發(fā)展，而數(shù)值分析為我們 準(zhǔn)確計(jì)算焊接熱過程提供了有力的工具，它可處理各種復(fù)雜的邊界條件、熱源的分布以及 非線性問題，焊接數(shù)值模擬能夠通過對復(fù)雜或不可觀察的現(xiàn)象進(jìn)行定量分析和對極端情況 下尚不知的規(guī)則的推測和預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜焊接現(xiàn)象的模擬，以助于認(rèn)清焊接現(xiàn)象本質(zhì)，弄 清焊接過程規(guī)律等，根據(jù)對焊接現(xiàn)象和過程的數(shù)值模擬，可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，從 而減小試驗(yàn)工作量，提高焊接接頭的質(zhì)量等。
[0004] 其中獲得準(zhǔn)確的溫度場是用數(shù)值模擬方法分析焊接過程的關(guān)鍵，而熱源模型的選 取決定焊接溫度場的計(jì)算精度和焊縫形狀，基于焊接熱源模型在數(shù)值模擬中的基礎(chǔ)性和重 要性，歐美一些發(fā)達(dá)國家及我國的焊接工作者都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。
[0005] 所謂焊接熱源模型，可以認(rèn)為是對作用在焊件上的、在時(shí)間和空間域上的熱輸入 分布特點(diǎn)的一種數(shù)學(xué)表達(dá)，高能束焊接不同于其它熔焊焊接方法，由于高能束的"匙孔"效 應(yīng)，高能束焊接將產(chǎn)生深寬比較大的釘頭焊縫，考慮到高能束焊接的深熔特點(diǎn)，欲使模擬結(jié) 果與實(shí)際更為接近，其熱源模型必須能體現(xiàn)高能束的小孔穿透效應(yīng)，隨著對計(jì)算模擬精度 要求的提高，高能束熱源模型經(jīng)歷了從線熱源、面熱源、體熱源到組合熱源的發(fā)展歷程，其 中體熱源分為旋轉(zhuǎn)體熱熱源（如旋轉(zhuǎn)曲面體熱源）和非旋轉(zhuǎn)體熱源（如雙橢球體熱源）； 組合熱源分為面熱源與體熱源組合、體熱源與體熱源組合；線熱源與面熱源由于模擬出的 焊縫與實(shí)際差別太大，大多情況下已不再單獨(dú)使用，為了解決面熱源和線熱源不能反映能 量在空間分布的缺點(diǎn)，提出了體熱源模型的概念，根據(jù)推導(dǎo)思路的不同，可將體熱源模型分 為旋轉(zhuǎn)體熱源和非旋轉(zhuǎn)體熱源兩類，前者以吳甦的高斯曲面體熱源和胡美娟的圓錐體熱源 為代表，后者以Goldak的雙橢球熱源為代表；其中旋轉(zhuǎn)體熱源模型推導(dǎo)時(shí)假設(shè)熱源能量在 熔深方向上不變，然后將能量按一定的方式分配到事先設(shè)定好的空間形狀內(nèi)，最后根據(jù)能 量守恒原則，利用三重積分求出熱源模型的函數(shù)表達(dá)式；高斯曲面體熱源模型、圓錐體熱源 模型可反映上寬下窄的深寬比較大的"釘頭"狀焊縫形狀，且在深度方向上考慮了小孔效應(yīng) 的穿透作用，但是模型中能量以前后對稱分布，與實(shí)際情況不符。非旋轉(zhuǎn)體熱源模型在溶深 方向采取能量衰減的方式進(jìn)行能量分布。雙橢球熱源由于采用了熱源前后能量分布不等的 處理方式，使其相比旋轉(zhuǎn)體熱源更能反映實(shí)際焊接熔池的能量分布，但是由于模型中熔深 方向的能量采用了高斯衰減的方式，隨著熔深的增加，能量越來越小，當(dāng)焊件過厚時(shí)，接近 焊件背面處能量幾乎為零，故雙橢球熱源模型不能體現(xiàn)大厚度工件高能束焊接的匙孔穿透 效應(yīng)。組合熱源模型可以兼有面熱源和體熱源的優(yōu)點(diǎn)，既能表征熔池形態(tài)，又能體現(xiàn)小孔穿 透效應(yīng)，具有很強(qiáng)的適用性，但是由于熱源種類繁多，采用哪些熱源組合有更好的效果難以 選擇，且熱源之間的能量分配系數(shù)亦不好確定。
[0006] 由以上熱源模型的分析不難看出，雖然高能束焊接熱源模型經(jīng)過不斷改進(jìn)，模擬 的焊縫形狀和溫度場越來越接近實(shí)際情況，但已有熱源模型仍有尚待改進(jìn)之處，而高能束 焊接熱源模型的準(zhǔn)確與否對高能束焊接結(jié)構(gòu)的溫度場和焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果有著直 接的影響，為了獲取焊接過程中更為精確的溫度場，急需建立一種新型高能束焊接熱源模 型。 【
【發(fā)明內(nèi)容】
】
[0007] 為克服【背景技術(shù)】中存在的不足，本發(fā)明提供了一種用于模擬高能束焊接的雙橢圓 指數(shù)衰減體熱源模型，本發(fā)明由于模型中拐點(diǎn)與軸長間比例系數(shù)和拐點(diǎn)位置的可調(diào)性，使 得本發(fā)明不僅能夠模擬單一的高能束焊接，如單激光焊、電子束焊，還能夠模擬復(fù)合焊接， 如激光-MAG復(fù)合焊等，本發(fā)明具有推導(dǎo)原理簡單、操作方便、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 [0008] 為實(shí)現(xiàn)如上所述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下所述的技術(shù)方案：
[0009] 一種用于模擬高能束焊接的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型，在分析高能束熔池尺寸 特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于雙橢球熱源的推導(dǎo)機(jī)理，在焊接熔深的方向上的能量分布方式以一種 新衰減曲線替代高斯衰減，進(jìn)而得到另一種新型非旋轉(zhuǎn)體熱源模型"即雙橢圓指數(shù)衰減體 熱源模型"，并用此模型進(jìn)行高能束焊接的數(shù)值模擬，具體包括如下步驟：
[0010] 一、分析高能束焊接熔池形貌特點(diǎn)：
[0011]由于高能束焊接過程中伴有匙孔效應(yīng)，束流沿深度方向?qū)ぜM(jìn)行加熱，焊接后 形成深寬比較大的釘頭形狀的焊縫，考慮到高能束焊接的深熔特點(diǎn)，欲使模擬結(jié)果與實(shí)際 更為接近，其熱源模型必須能體現(xiàn)高能束的小孔穿透效應(yīng)；
[0012] 由高能束焊接熔池形貌特點(diǎn)可知，其熱源的徑向熱流呈高斯分布，沿熔深方向的 能量則逐級衰減，深度方向熱流峰值呈指數(shù)衰減，因此，高能束焊接熱源模型內(nèi)任一 Χ0Υ平 面"垂直于熔深方向"上的Χ、γ方向上的能量皆以高斯衰減的方式分布，任一 Χ0Υ截面應(yīng)由 前后兩個(gè)不等半橢圓組成，半橢圓軸長隨熔深方向按一由兩個(gè)指數(shù)函數(shù)組合而成的衰減曲 線逐級遞減；
[0013] 二、確定高能束焊接熱源模型類型：
[0014] 由于非旋轉(zhuǎn)體熱源模型在熔深方向采取能量衰減的方式進(jìn)行能量分布，雙橢球熱 源由于采用了熱源前后能量分布不等的處理方式，使其相比旋轉(zhuǎn)體熱源更能反映實(shí)際焊接 熔池的能量分布，但是由于模型中熔深方向的能量采用了高斯衰減的方式，隨著熔深的增 力口，能量越來越小，當(dāng)焊件過厚時(shí)，接近焊件背面處能量幾乎為零，故雙橢球熱源模型不能 體現(xiàn)大厚度工件高能束焊接的匙孔穿透效應(yīng)；
[0015] 高能束焊接的熔池具有大的深寬比和典型的鎖孔效應(yīng)，橫截面沿深度方向呈近似 指數(shù)曲線形式逐漸變窄，因此，高能束焊熱源模型應(yīng)選用熱流密度分布不均勻的非旋轉(zhuǎn)體 熱源，在分析高能束熔池尺寸特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于雙橢球熱源的推導(dǎo)機(jī)理，在焊接熔深的方 向上的能量分布方式以一種新衰減曲線替代高斯衰減；
[0016] 三、確定高能束焊接溶深方向能量衰減曲線：
[0017] 1?能束焊接熱源模型只是徑向熱流成高斯分布，深度方向熱流峰值呈指數(shù)衰減， 根據(jù)體熱源的建立準(zhǔn)則并基于高能束焊接熔池的特征，此熱源模型內(nèi)，任一 Χ0Υ截面"垂 直于熔深方向"由前后兩個(gè)不等半橢圓組成，半橢圓軸長隨熔深方向按一由兩個(gè)指數(shù)函數(shù) 組合而成的衰減曲線逐級遞減,其中，la n 0, h和la2, 0, h為模型中衰減曲線上的兩個(gè)拐點(diǎn) 坐標(biāo)，1為拐點(diǎn)與軸長間比例系數(shù)，取值范圍為[0, 1]，h為拐點(diǎn)處的熔深，Η為總的熔深，
【權(quán)利要求】
1. 一種用于模擬高能束焊接的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型，其特征在于：在分析高能 束熔池尺寸特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于雙橢球熱源的推導(dǎo)機(jī)理，在焊接熔深的方向上的能量分布 方式以一種新衰減曲線替代高斯衰減，進(jìn)而得到另一種新型非旋轉(zhuǎn)體熱源模型"即雙橢圓 指數(shù)衰減體熱源模型"，并用此模型進(jìn)行高能束焊接的數(shù)值模擬，具體包括如下步驟： 一、 分析高能束焊接熔池形貌特點(diǎn)： 由于高能束焊接過程中伴有匙孔效應(yīng)，束流沿深度方向?qū)ぜM(jìn)行加熱，焊接后形成 深寬比較大的釘頭形狀的焊縫，考慮到高能束焊接的深熔特點(diǎn)，欲使模擬結(jié)果與實(shí)際更為 接近，其熱源模型必須能體現(xiàn)高能束的小孔穿透效應(yīng)； 由高能束焊接熔池形貌特點(diǎn)可知，其熱源的徑向熱流呈高斯分布，沿熔深方向的能量 則逐級衰減，深度方向熱流峰值呈指數(shù)衰減，因此，高能束焊接熱源模型內(nèi)任一 XOY平面 "垂直于熔深方向"上的Χ、γ方向上的能量皆以高斯衰減的方式分布，任一 XOY截面應(yīng)由前 后兩個(gè)不等半橢圓組成，半橢圓軸長隨熔深方向按一由兩個(gè)指數(shù)函數(shù)組合而成的衰減曲線 逐級遞減； 二、 確定高能束焊接熱源模型類型： 由于非旋轉(zhuǎn)體熱源模型在熔深方向采取能量衰減的方式進(jìn)行能量分布，雙橢球熱源由 于采用了熱源前后能量分布不等的處理方式，使其相比旋轉(zhuǎn)體熱源更能反映實(shí)際焊接熔池 的能量分布，但是由于模型中熔深方向的能量采用了高斯衰減的方式，隨著熔深的增加，能 量越來越小，當(dāng)焊件過厚時(shí)，接近焊件背面處能量幾乎為零，故雙橢球熱源模型不能體現(xiàn)大 厚度工件高能束焊接的匙孔穿透效應(yīng)； 高能束焊接的熔池具有大的深寬比和典型的鎖孔效應(yīng)，橫截面沿深度方向呈近似指數(shù) 曲線形式逐漸變窄，因此，高能束焊熱源模型應(yīng)選用熱流密度分布不均勻的非旋轉(zhuǎn)體熱源， 在分析高能束熔池尺寸特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，基于雙橢球熱源的推導(dǎo)機(jī)理，在焊接熔深的方向上 的能量分布方式以一種新衰減曲線替代高斯衰減； 三、 確定高能束焊接熔深方向能量衰減曲線： 高能束焊接熱源模型只是徑向熱流成高斯分布，深度方向熱流峰值呈指數(shù)衰減，根據(jù) 體熱源的建立準(zhǔn)則并基于高能束焊接熔池的特征，此熱源模型內(nèi)，任一 ΧΟΥ截面"垂直于 熔深方向"由前后兩個(gè)不等半橢圓組成，半橢圓軸長隨熔深方向按一由兩個(gè)指數(shù)函數(shù)組 合而成的衰減曲線逐級遞減，其中，lap 0, h和la2, 0, h為模型中衰減曲線上的兩個(gè)拐點(diǎn) 坐標(biāo)，1為拐點(diǎn)與軸長間比例系數(shù)，取值范圍為[0, 1]，h為拐點(diǎn)處的烙深，Η為總的烙深，
為熔深方向上的指數(shù)衰減曲線； 四、 建立等軸雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型： 依能量守恒原理在此空間圖形內(nèi)按設(shè)定的能流分布方式對其進(jìn)行三重積分即可求得 熱源模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式，考慮到熱源前后公式的可類比性，為簡化求導(dǎo)過程，首先求出前后 橢圓軸長相等的熱源模型的熱流表達(dá)式，而后將其推廣到更具一般性的非對稱的熱源模型 中去； 等軸雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型內(nèi)任一點(diǎn)的熱流表達(dá)式為： 0. Z 彡 h 時(shí)，v(.'w)=沁 cxp(-Ay2 - Z?/) < h 彡 z 彡 H 時(shí)，= %exp(-Ar' -
式中，q〇為中心點(diǎn)處的峰值熱流密度，A、B為待定系數(shù)，x、y、z為位置坐標(biāo)，1為 拐點(diǎn)與軸長間比例系數(shù)，h為拐點(diǎn)處的熔深，Η為總的熔深，

為熔深方向上的衰減曲線； 由功率守恒可得：
解得：
式中，q〇為中心點(diǎn)處的峰值熱流密度，Q為熱源有效功率，Α、Β為待定系數(shù)，1為拐點(diǎn)與 軸長間比例系數(shù)，h為拐點(diǎn)處的熔深，Η為總的熔深，焊接電弧把熱能傳給焊件是通過一定 的加熱面積即加熱斑點(diǎn)進(jìn)行的，加熱斑點(diǎn)的定義為：電弧傳給焊件的熱能中，有95 %的能 量落在以Α為半徑的加熱斑點(diǎn)內(nèi)； 故有： q (a, Ο, 0) = q〇exp (~Aa2) = 0. 05q〇

式中，q〇為中心點(diǎn)處的峰值熱流密度，Q為熱源有效功率，a、b為橢圓形狀參數(shù)，1為拐 點(diǎn)與軸長間比例系數(shù)，h為拐點(diǎn)處的熔深，Η為總的熔深； 因此，等軸雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型內(nèi)任一點(diǎn)的熱流表達(dá)式為： 0彡ζ彡h時(shí)， V e-? j
h彡z彡Η時(shí)，
式中，Q為熱源有效功率，a、b為橢圓形狀參數(shù)，X、y、ζ為位置坐標(biāo)，1為拐 點(diǎn)與軸長間比例系數(shù)，h為拐點(diǎn)處的熔深，Η為總的熔深，

為熔深方向上的衰減曲線； 五、建立雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型： 在實(shí)際焊接過程中，熔池頭短尾長，建立的前后橢圓不等軸長的雙橢圓指數(shù)衰減體熱 源模型，可更好的模擬實(shí)際焊接過程的熔池形狀； 雙橢圓指數(shù)衰減體熱源前半部分熱流表達(dá)式： 0彡ζ彡h時(shí)，

式中，Qf為模型前半部分所分配的能量；為模型后半部分所分配的能量， 為橢圓形狀參數(shù)，X、y、z為位置坐標(biāo)，1為拐點(diǎn)與軸長間比例系數(shù)，h為拐點(diǎn)處的烙深，Η為 總的熔深
為熔深方向上的衰減曲線； 熱源模型由前后兩部分組成，由于在其接合處要平滑過渡，即X = 〇時(shí)，必有：
整理得：
又由能量守恒知： Qf+Qr = Q 則
式中，Qf為模型前半部分所分配的能量；為模型后半部分所分配的能量； 六、 編寫熱源子程序： 根據(jù)上步獲得的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源熱流表達(dá)式，結(jié)合有限元軟件的子程序接口， 編寫相應(yīng)的子程序； 七、 數(shù)值計(jì)算： 將上步編寫的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型子程序，嵌入有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì) 算，即可獲得精確地高能束焊接溫度場及應(yīng)力變形場。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬高能束焊接的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型，其特征 在于：所述高能束焊接熔深方向能量衰減曲線，熔深方向能量的衰減曲線由平滑過渡的兩 個(gè)指數(shù)函數(shù)
組合而成，以上兩個(gè)指數(shù)函 數(shù)交點(diǎn)處為拐點(diǎn)，其中，1為拐點(diǎn)與軸長間比例系數(shù)，取值范圍為[〇, 1]，h為拐點(diǎn)處的烙深， Η為總的熔深。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于模擬高能束焊接的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型，其特征 在于：所述的高能束焊接熔深方向能量衰減曲線的拐點(diǎn)，拐點(diǎn)為熔深方向兩個(gè)指數(shù)函數(shù)的 交點(diǎn)，拐點(diǎn)處兩個(gè)指數(shù)函數(shù)平滑過渡。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于模擬高能束焊接的雙橢圓指數(shù)衰減體熱源模型，其特征 在于：所述的模型前半部分所分配的能量Qf和模型后半部分所分配的能量Α，Q f和Α由熔 池的前半軸長度％和后半軸長度a2結(jié)合實(shí)際有效功率Q確定，各部分的能量分配比例為相 應(yīng)部分的半軸長度與前后兩部分半軸長度和的比值。
【文檔編號】G06F17/50GK104298817SQ201410498765
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】王濤, 吳艷明, 張成杰 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所