[發明專利]一種用于模擬高能束焊接的有限元建模方法

有效

• 申請號: 202010313748.2
• 申請日: 2020-04-20
• 公開（公告）號: CN111428416B
• 公開（公告）日: 2023-06-20
• 發明（設計）人: 蔣文彬;盧灝然;彭漩;申剛;盧金斌
• 申請（專利權）人: 蘇州科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/08
• 代理公司: 蘇州隆恒知識產權代理事務所(普通合伙) 32366
• 代理人: 張佩璇

本發明涉及一種用于模擬高能束焊接的有限元建模方法，包括如下步驟：S1：建立焊接結構的模型并得到貝濟爾單元，輸入焊接工藝參數和材料物性參數；S2：建立所述模型的焊縫生死單元集，模擬每個離散時間段的焊接熔覆過程；S3：生成針對每個特定時間段的熱源附近區域的局部細化貝濟爾單元，并計算離散時間序列的溫度場；S4：對于相鄰的兩個特定時間段，將當前時間段對應的網格控制點變量映射到下一時間段所對應的網格控制點；S5：輸出整個時間歷程中每個采樣點的焊接溫度熱循環曲線及每個時刻的溫度場。本發明能夠實現高能束焊接的自適應傳熱分析，既保證了熱源附近高梯度解的求解精度，又降低了求解的規模。

技術領域

本發明涉及計算機輔助工程分析領域，尤其涉及一種用于模擬高能束焊接的有限元建模方法。

背景技術

大多數焊接過程涉及到高功率密度的強局部加熱，導致了復雜的冶金與力學行為的產生。不當的焊接熱參數會導致較高的殘余應力，繼而產生變形以及孔洞、裂紋等微缺陷，影響焊接結構的精度、強度和疲勞壽命。

有限元方法在焊接傳熱問題有著廣泛應用。由于局部加熱帶來的計算負擔，它在復雜焊接結構中的應用仍受到限制。大功率和較小的發熱區域會導致高溫梯度，從而導致零件強烈的局部材料非線性行為。在這種情況下，為了保證問題的收斂性和得到合理的解，必須對熱源周圍進行密集網格離散。從傳統的電弧焊接到更先進的高能束焊接技術，如激光焊接，熱源的局部化現象越來越明顯。通常，熱源周圍和遠離熱源的單元尺寸存在著若干數量級的差異，這使得直接求解具有復雜幾何結構的時變熱-結構耦合的有限元方法幾乎是無法現實的。

克服這一困難的直觀解決方案是自適應網格細化。其關鍵在于局部細化單元后如何處理“懸掛節點”帶來的網格不兼容問題，即過渡單元的問題。傳統的方法諸如約束方法，單元繼承形函數法及多邊形單元法，都基于離散后的網格，雖然能夠處理過渡單元，但由于丟失了幾何信息，這些自適應方法并不能夠真正適用于帶有曲面的復雜結構自適應模擬。

發明內容

本發明提供一種用于模擬高能束焊接的有限元建模方法，以解決上述技術問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種用于模擬高能束焊接的有限元建模方法，包括如下步驟：

S1：建立焊接結構的模型并得到貝濟爾單元，輸入焊接工藝參數和材料物性參數；

S2：建立所述模型的焊縫生死單元集，模擬每個離散時間段的焊接熔覆過程；

S3：生成針對每個特定時間段的熱源附近區域的局部細化貝濟爾單元，并計算離散時間序列的溫度場；

S4：對于相鄰的兩個特定時間段，將當前時間段對應的網格控制點變量映射到下一時間段所對應的網格控制點；

S5：輸出整個時間歷程中每個采樣點的焊接溫度熱循環曲線及每個時刻的溫度場。

較佳地，步驟S1中，所述焊接結構的模型采用NURBS表示的幾何圖形。

較佳地，得到所述貝濟爾單元的方法包括：通過樣條理論中的節點插入算法，將NURBS樣條單元邊界連續性降為C⁰，得到有理形式的貝濟爾單元。

較佳地，所述焊接工藝參數至少包括熱源功率、焊接速度以及焊槍軌跡。

較佳地，所述材料物性參數至少包括焊材與母材熱導率、密度以及比熱邊界換熱系數。

較佳地，步驟S2中，建立所述焊縫生死單元集的方法包括：將整個時間歷程分為N段，每段時間為Δt，將焊縫區域的模型也分為對應的N個焊縫塊，并且全部標記為“殺死”，計算過程中，每經歷一個Δt時間，激活一個對應的焊縫塊。

較佳地，步驟S3中，基于四叉樹或八叉樹網格細分策略，生成所述局部細化貝濟爾單元。