[發明專利]一種激光焊接熱源模型的建立方法

有效

• 申請號: 201310020198.5
• 申請日: 2013-01-18
• 公開（公告）號: CN103049623A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 董志波;鄭文健;宋奎晶;張家銘;郭軍禮;王帥麗;魏艷紅
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 金永煥

1.一種激光焊接熱源模型的建立方法，其特征在于激光焊接熱源模型的建立方法按以下步驟實現：

第一步：建立三維有限元網格模型：

在三維造型軟件中建立工件的幾何模型，利用網格劃分軟件或者有限元計算軟件對工件進行網格劃分；

第二步：建立熱源表面的高斯熱源模型：

q(x,y,t)=3Qη1πR2exp(-3(x2+y2)R2)---(1)]]>

式中q(x，y，t)為面熱源在工件表面上的熱流密度分布，R為面熱源有效加熱半徑，Q為焊接功率，參數η1為面熱源能量分配系數，t為時間；

第三步：將焊接能量沿著激光焊接熔池深度方向進行拓展：

復制雙橢球熱源模型，將焊接能量分布到激光焊接熔池深度方向，在表面的高斯熱源的下方疊加一個或者多個熱源尺寸較小的雙橢球熱源可實現深寬比較大的激光熔池形貌；其中，所述雙橢球熱源模型將焊接熔池的前半部分作為一個1/4橢球，后半部分作為另一個1/4橢球，面熱源下方第i個雙橢球熱源的公式為：

前半部分橢球內熱源分布函數：

q(x,y,z,t)=63ffQηiai1biciππe-3x2/ai12e-3y2/bi2e-3z2/ci2---(2)]]>

后半部分橢球內熱源分布函數：

q(x,y,z,t)=63frQηiai2biciππe-3x2/ai22e-3y2/bi2e-3z2/ci2---(3)]]>

式中q(x，y，z，t)為雙橢球熱源在工件內部的熱流密度分布，f_f和f_r分別為總的輸入功率在熔池前、后兩部分的分配指數，通常f_f+f_r＝2，η_i為第i個熱源的能量分配系數，參數a_i1，a_i2，b_i，c_i為激光焊接熱源內部雙橢球熱源參數，其中(n-1)*i≤c_i≤n*i；

對于整個激光熱源來說

Σi=1nci=h]]>

Σi=1nηi=η]]>

Q＝ηUI

h為激光焊接熱源總的有效作用深度，η為激光熱源功率有效系數；

第四步：基于有限元計算軟件求解控制方程，進行熱-機耦合計算：

將所建立的激光熱源模型加載到網格模型上，設置熱源邊界條件及控制熱源位置，提交運算并導出計算結果，建立三維具有內熱源和瞬態溫度場的固體導熱微分方程：

∂T∂t=kρcp(∂2T∂x2+∂2T∂y2+∂2T∂z2+qvk)---(4)]]>式中，T為物體的瞬態溫度，t為過程進行的時間，k為材料的導熱系數，ρ為材料的密度，c_p為材料的定壓比熱，q_v為材料的內熱源強度，x，y，z分別為坐標系中的三向坐標，建立熱-彈塑性控制方程：

dσ＝[D_ep]dε＝([D_e]-[D_p])dε(5)

式中，[D_e]為彈性矩陣，[D_p]為塑性矩陣，[D_ep]為彈塑性矩陣，即完成了激光焊接熱源模型的建立。