[發(fā)明專利]基于快速傅里葉變換的高效焊縫形貌數(shù)值模擬預測方法

有效

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• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN111950207B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發(fā)明（設計）人: 錢龍根;胡月
• 申請（專利權）人: 常熟理工學院
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F17/14;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 鄒偉紅

本發(fā)明公開了一種基于快速傅里葉變換的高效焊縫形貌數(shù)值模擬預測方法，針對現(xiàn)有焊縫形貌數(shù)值模擬方法預測效率低的問題，本發(fā)明基于快速傅里葉變換求解焊縫形成過程中的傳熱和流動方程，從而實現(xiàn)對焊縫形貌變化過程的高效預測。首先，定義初始焊縫形貌函數(shù)并輸入焊接參數(shù)；其次，基于快速傅里葉變換求解焊接傳熱和流動方程；進而，更新焊縫形貌函數(shù)的運動方程；最后，輸出新的焊縫形貌函數(shù)并提取新的焊縫形貌及特征參數(shù)。與現(xiàn)有焊縫形貌數(shù)值模擬方法相比，本發(fā)明可有效提高焊縫預測效率幾十、幾百甚至幾千倍，并支持無限并行加速比，其計算效率和計算精度遠高于現(xiàn)有方法。

技術領域

本發(fā)明涉及一種基于快速傅里葉變換的高效焊縫形貌數(shù)值模擬預測方法，其屬于焊縫形貌預測方法領域。

背景技術

焊縫形貌是決定焊接成形質量和生產(chǎn)效率的關鍵因素。準確的預測焊縫形貌，對于焊接應力變形分析、焊接冶金分析、焊接工藝設計及優(yōu)化等具有重要的理論價值和工程意義。

目前焊縫形貌預測主要采用數(shù)值模擬方法(張海泉,張彥華,趙海燕,等.鎳基高溫合金電子束焊縫形貌預測模型及其驗證[J].航空材料學報,2004(05):24-28)。此類方法基于數(shù)值算法求解焊縫形成過程中的傳熱、流動及自由表面演化等方程，進而實現(xiàn)對焊縫形貌變化過程的有效預測。然而現(xiàn)有的焊縫形貌數(shù)值模擬方法普遍采用松弛法(如點松弛、線松弛)、共軛梯度法、SIMPLE(Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations，壓力耦合方程組的半隱式方法)等迭代算法求解傳熱和流動方程(肖攀,苗志飛,錢勇,等.基于ANSYS的鈦合金電子束焊縫形貌預測及驗證[J].機械制造文摘:焊接分冊,2011(05):33-38)，其計算效率低，嚴重影響了焊縫形貌預測的效率，難以滿足快速發(fā)展的焊接工業(yè)化應用需求。

發(fā)明內容

為了解決現(xiàn)有焊縫形貌數(shù)值模擬方法預測效率低的問題，本發(fā)明提出了一種基于快速傅里葉變換的高效焊縫形貌數(shù)值模擬預測方法。

本發(fā)明采用如下技術方案：基于快速傅里葉變換的高效焊縫形貌預測方法，包括如下步驟：

第一步：定義初始焊縫形貌函數(shù)H；

第二步：輸入焊接參數(shù)；

第三步：求解初始焊縫形貌函數(shù)H變化過程，該過程由焊縫形貌函數(shù)H運動方程控制：

其中，為偏微分算子，t為焊接時間，H為初始焊縫形貌函數(shù)，為梯度算子，為熔池流動速度，其求解過程如下：

(1)基于快速傅里葉變換求解焊接傳熱方程，將焊接傳熱方程轉換為以下形式：

其中，為散度算子，λ_g為氣相熱導率，為梯度算子，T為熔池溫度，h’為熱傳導項D_h、能量源項S_h以及非常數(shù)項之和；

對h’進行快速傅里葉變換，隨后對矩陣轉置，得到對三角矩陣，采用追趕法或高斯消元法求解對三角矩陣，隨后對解矩陣轉置，并做快速傅里葉變換，最后獲得熔池溫度T；

(2)在獲得熔池溫度T后，計算焊接時熔池的內力源

(3)在獲得內力源后，基于快速傅里葉變換進一步求解焊接流動方程，并將焊接流動方程轉換為以下形式：

其中，為散度算子，ρ_g為氣相密度，為梯度算子，p為熔池壓力，f’為對流項A_u、擴散項D_u、源項S_u和非常數(shù)項之和；

對f’進行快速傅里葉變換，隨后對矩陣轉置，得到對三角矩陣，采用追趕法或高斯消元法求解對三角矩陣，隨后對解矩陣轉置，并做快速傅里葉變換，最后獲得熔池壓力p；