[發明專利]一種鈦合金焊接熔池微觀組織演化的模擬方法

有效

• 申請號: 201910816501.X
• 申請日: 2019-08-30
• 公開（公告）號: CN110619157B
• 公開（公告）日: 2022-10-21
• 發明（設計）人: 張敏;黃超;郭宇飛;張立勝
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G16C60/00;G01N25/20;G06F111/04;G06F111/10;G06F119/08
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 韓玙

本發明公開了一種鈦合金焊接熔池微觀組織演化的模擬方法，首先基于有限單元法，利用有限元計算軟件，建立焊接瞬態宏觀溫度場模型的有限元計算模型，然后利用線性插值原理將宏觀溫度場模型轉變為適用于微觀組織計算的微觀溫度場模型，并且在對部分物理條件進行簡化的前提下，建立鈦合金的形核與生長模型，最后在MATLAB模擬軟件上通過編程將前面所建立的三個模型整合成鈦合金焊接熔池微觀組織演化模型。本模型能計算不同工藝參數及工況條件下鈦合金焊接過程中溫度場的變化，并通過宏微觀耦合計算高度動態變化的焊接溫度場作用下焊接熔池內微觀組織的演變過程，從而為相關研究提供一種高效可靠的研究手段。

技術領域

本發明屬于金屬凝固過程中微觀組織演變數值模擬方法領域，具體涉及一種鈦合金焊接熔池微觀組織演化的模擬方法。

背景技術

隨著航空航天、造船、化工、生物醫療等領域的快速發展，相關材料的需求日益龐大，在眾多材料中鈦合金以其低密度、高比強度、耐熱好，耐蝕性好等優點具有獨到的優勢，焊接具有靈活性好、適應性強、操作簡便等優點目前已成為鈦合金最主要的連接方法，因此如何提高焊接的質量就具有極其重要的意義。

焊縫微觀組織對焊縫質量有重大影響，諸如金相實驗等傳統實驗方法只能針對焊后最終態的凝固組織進行研究，但熔池微觀組織的凝固過程復雜度高，僅從最終態組織入手無法對復雜的微觀組織演變過程進行全面的研究，也無法得到直觀的認識，即使利用特種實驗設備也不可避免的存在成本難以控制的問題，因此急需一種成本可控且物理背景明確的研究方法。近年來，依托計算機技術飛速發展而興起的數值模擬方法，為相關學者提供了新的選項，該方法已在材料研究領域尤其是凝固方面取得了一些成果，其基于物理過程建立數學模型，最終實現物理過程的可視化。

所以建立一種鈦合金焊接熔池微觀組織演化的模擬方法顯得尤為重要。

發明內容

本發明的目的是提供一種鈦合金焊接熔池微觀組織演化的模擬方法，解決了現有技術中存在微觀組織演變模型效率低且物理背景不明確的問題。

本發明所采用的技術方案是，一種鈦合金焊接熔池微觀組織演化的模擬方法，具體按照以下步驟實施：

步驟1、基于有限單元法，構建焊接瞬態宏觀溫度場模型；

步驟2、利用插值原理，構建微觀溫度場模型；

步驟3、構建晶粒的形核與生長模型；

步驟4、數值計算及計算結果的處理。

本發明的特點還在于：

步驟1具體按照以下步驟實施：

步驟1.1、在有限元軟件中輸入模型的尺寸，建立有限元幾何模型，；

步驟1.2、根據選用的材料，給有限元幾何模型賦予材料的屬性，獲得有限元幾何材料模型；

步驟1.3、根據所需模擬的熔池演化的實際過程，設置分析步驟；

步驟1.4、依據熔池實際情況設置邊界條件，邊界條件具體包括初始溫度的設定、熔池與環境換熱關系的確定；

步驟1.5、根據熔池實際情況設置載荷，載荷具體包括邊界約束的設定、表面熱通量的設定即熱源模型的選擇，熱源模型選擇雙橢球熱源模型；

步驟1.6、有限元幾何材料模型結合邊界條件與載荷組成有限元模型，將有限元模型劃分為大小相同的有限元單元，獲得有限元計算模型，并利用有限元計算模型計算焊接瞬態宏觀溫度場模型。

述步驟2具體按照以下步驟實施：

步驟2.1、選擇合適的計算域，并提取有限元節點的熱循環曲線，即時間-溫度曲線；

步驟2.2、利用模擬軟件MATLAB擬合熱循環曲線，得到有限元節點的溫度-時間函數，即得到宏觀溫度場模型；