[發明專利]激光焊接瞬態溫度場及應力場數值計算方法及系統

有效

• 申請號: 202210345911.2
• 申請日: 2022-04-02
• 公開（公告）號: CN114491873B
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 張俐;張國濤;田傲翔;李嘉誠;陳彥儒;韓立福
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F17/16;G06F111/10;G06F119/08;G06F119/14
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 馬帥

本發明涉及激光焊接修復領域，提供一種激光焊接瞬態溫度場及應力場數值計算方法及系統，包括：獲取待焊接樣件的性能參數、激光修復的工藝參數和激光掃描路徑；通過無網格伽遼金法，結合所述性能參數、所述工藝參數和所述激光掃描路徑計算獲得溫度場集合、應力場集合和位移場集合。本發明將工藝參數進行定性和定量表達，方便計算，大大降低試驗成本，提高工作效率；對熔池區域的材料性能參數重新設置，使得溫度場及應力場的計算結果更加精確；在權函數的一階導數和一階偏導數計算過程中采用前向差分法，避免了推導求導公式時產生的錯誤；采用無網格法對溫度場及應力場進行計算，計算精度更高，且不需要對網格進行重構，降低了計算復雜度。

技術領域

本發明涉及激光焊接修復領域，尤其涉及一種激光焊接瞬態溫度場及應力場數值計算方法及系統。

背景技術

現有技術中，基于網格的數值計算方法，主要包括有限元法、有限體積法、有限差分法等，在工程領域已經引起了廣泛的關注，主流的科學問題和工程設計方法都是基于這幾種常用的數值計算方法。

但是現有的這些方法在處理大變形、裂紋動態擴展、混合相等復雜工程問題時，仍然存在網格劃分困難、計算精度低等問題。并且在焊接過程中，激光中心區域由于吸收大部分能量，溫度升高至熔點以上，形成熔池，導致該部分材料參數奇異，致使溫度場及應力場的計算并不精確。

上述內容僅用于輔助理解本發明的技術方案，并不代表承認上述內容是現有技術。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明提供一種激光焊接瞬態溫度場及應力場數值計算方法，包括：

S1：獲取待焊接樣件的性能參數、激光修復的工藝參數和激光掃描路徑；

S2：通過無網格伽遼金法，結合所述性能參數、所述工藝參數和所述激光掃描路徑計算獲得溫度場集合、應力場集合和位移場集合。

優選的，所述性能參數包括：

待焊接樣件的尺寸、焊接坐標軸、所述焊接坐標軸方向上的節點數目和所述焊接坐標軸方向上的節點數目；

待焊接樣件的材料密度、彈性模量、熔點、導熱系數、定壓比熱、熱膨脹系數和泊松比；

所述工藝參數包括：激光光斑半徑、激光掃描速度、激光功率和吸收率；

所述激光掃描路徑包括：激光中心位置集合、激光功率集合和運行步數總數。

優選的，步驟S2具體為：

S21：構建高斯積分網格和二維高斯節點；計算域高斯節點集合表示為，是一個包含高斯積分網格內所有高斯節點的矩陣；

S22：根據待焊接樣件的形狀生成計算域，在計算域內生成計算節點，是一個包含所有計算節點的矩陣，在所述計算節點內將所述溫度場節點的初始值設置為，將所述位移場節點的初始值設置為；

S23：獲取第步的激光中心位置和激光功率；的初始值為0，最大值為；

S24：通過激光光源中心坐標和光斑半徑計算獲得第步的熱源場節點，通過所述熱源場節點計算獲得第步的外部熱流量矩陣；

S25：計算獲得第步的等效熱傳導系數矩陣和定壓比熱矩陣，通過、和計算獲得第步的溫度場節點，通過計算獲得第步的溫度場；

S26：通過第步的溫度場和第步的溫度場，計算獲得第步的剛度矩陣和熱應力矩陣，通過和計算獲得第步的位移場節點值；

S27：計算獲得第步的應力場和位移場，令；

S28：重復步驟S23至S27共次，獲得從第1步至第步所有的溫度場、應力場和位移場，將所有的溫度場記為所述溫度場集合，將所有的應力場記為所述應力場集合，將所有的位移場記為所述位移場集合。

優選的，步驟S21中所述高斯積分網格的表達式為：

其中，表示高斯積分網格中高斯節點的坐標，表示高斯節點對應的權重，取值范圍為。