CN101719333B - 平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法 - Google Patents

Abstract

在分析传统平板堆焊熔池与焊缝成形过程模拟与仿真方法缺点的基础上，提出了一种平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法，该方法通过对平板堆焊熔池与焊缝成形过程的综合分析，将计算机图形学中的网格法用于焊接熔池与焊缝成形的模拟与仿真，利用OpenGL技术构建了以平面三角形网格为基础的焊道、熔池及焊缝模型；结合高斯热源模型得到了熔池凹陷及焊缝余高生长函数，并以此为基础控制焊道平面上各三角形网格顶点的运动，从而形成凹陷的网格熔池及网格焊缝，有效地表征了实际焊后鱼鳞纹状焊缝形貌。经实际运行测试，集成系统运行稳定，模拟效果逼真。

Description

平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法

技术领域

本发明属于虚拟焊接培训领域中平板堆焊焊缝成形过程的模拟与仿真，具体涉及一种虚拟的平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法。

背景技术

随着计算机及其相关技术的发展，将虚拟焊接模拟培训系统引入传统焊接培训过程中已成为可能。虚拟焊接模拟培训系统通过将焊接过程中的视、听、触觉等作用于焊接操作者，使之产生身临其境的交互感。该系统综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门学科，是现代虚拟现实技术的进一步发展与应用。

虚拟焊接模拟培训系统中平板堆焊的焊接场景包括熔池、焊缝、弧光、飞溅、烟雾等，其中虚拟熔池与焊缝成形过程是虚拟焊接场景中的核心。焊工在焊接过程中根据看到的熔池与焊缝成形过程来调整焊接操作，因此虚拟场景中的熔池与焊缝成形过程越接近真实情况对焊工的培训效果就越好。由此可见，虚拟熔池与焊缝模型的建立至关重要。

随着计算机图形学的发展出现了很多建模技术，普通的建模技术是基于几何造型的建模技术，只是对实体做简单点、线、面的堆积。由于建模的实体越来越复杂，而且需要表现实体的更多细节，比如模拟动态的烟雾、云彩、瀑布等，普通的建模方法已经难于胜任，相应的产生了一些新的动态建模方法，比如网格法和粒子系统。

网格法建模是目前广泛使用的一种曲面建模方法，即利用大量细小的三角形或多边形网格拼接成实体的不规则表面，其中利用三角形网格来描绘三维实体是最为有效和常用的方法。这主要是因为利用三角形网格来绘制三维实体具有很多优点：(1)三角形的拓扑结构较为简单，利用三角形描述实体难度相对较低，而且足够多的三角形可以比较精确的逼近复杂实体；(2)实现时，三角形的数据结构便于处理；(3)三角形的特征不会因为投影变化而发生改变，比较稳定。

目前已有的虚拟熔池与焊缝模型多数是采用圆柱体、六面体和扁球体等简单几何体模型进行简单的重复叠加，虽然有些模型能表现出焊后焊缝表面的鱼鳞纹状形貌，但是焊接过程中熔池与焊缝的成形是一个动态渐变的过程，用简单几何体模型，焊缝成形的模拟是以几何体为单元，每次增加一个几何体表示焊缝的生长，这样不能细腻地表现熔池与焊缝各部分的颜色和形状变化，因此需要对建模模型进一步研究，以表现熔池与焊缝的细节。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决现有虚拟熔池与焊缝成形过程中所建立的模型无法实时模拟熔池与焊缝成形的动态渐变过程的问题，通过网格法建立焊道、熔池和焊缝一体化模型，以实现在虚拟焊接场景中熔池与焊缝成形的动态效果，并通过网格顶点的不断变化来表现熔池与焊缝成形的细节，且系统实时性不受限制的平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

1)焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型

焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型是指采用大量三角形拼接成网格焊道平面，同时对网格三角形的顶点定义各种属性值，在模拟与仿真过程中，通过控制三角形顶点的运动及顶点各种属性值的变化来改变三角形的形状、取向和颜色，从而来模拟熔池与焊缝的复杂曲面，三角形的顶点属性通过三角形顶点结构体中的参数表征：

以float x，y，z定义顶点的坐标，其中x是垂直焊缝方向，y是垂直试板平面的方向，z是沿着焊缝方向；属性visiable表示是否绘制三角形；属性solidorliquid用来表示顶点当前是处于固态还是液态；以float r，g，b定义顶点的颜色；属性normalx、normaly、normalz用来计算顶点的法向量；T定义为每个顶点温度；

模拟焊接时，引弧成功之后判断顶点是否处于电弧加热范围，将处于加热范围的顶点设置为可见，并设置顶点的各种属性，然后根据这些顶点绘制三角形，在焊接过程中顶点的坐标按一定的规律变化，从而模拟焊接过程中熔池和焊缝的成形过程；

2)熔池的模拟

焊接过程中，电弧在焊条和焊件之间燃烧，当加热一段时间后，试板上被电弧加热区域中的金属温度达到熔点时，开始熔化并形成熔池；熔池形成之后，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力向熔池过渡，熔池中的液态金属逐渐增加，在各种力的作用下发生凹陷，对熔池凹陷的模拟也采用高斯分布的形貌，随着电弧在某一点作用时间的增加，熔池凹陷的深度增加，网格三角形顶点的y坐标下降表示熔池的凹陷，在模拟中提出熔池凹陷函数，即公式1来计算顶点y坐标的下降量即模拟熔池的凹陷量，

$\mathrm{\Δy}=-k_5{e}^{-(\frac{{R_x}^2}{{a_x}^2}+\frac{R_z^2}{b_z^2})}$ (公式1)

式中：Δy为顶点y坐标下降的幅度；k₅为系数，可以通过调节k₅控制熔池凹陷的快慢；R_x为顶点与电弧中心x方向的距离；a_x为控制椭球的长度即熔池的长度，与焊接电流有关；R_z为顶点与电弧中心z方向的距离；b_z为控制椭球的宽度即熔池的宽度，与焊接电流有关；通过该熔池凹陷函数及OpenGL的渲染功能得到的模拟熔池效果；

3)焊缝成形的模拟

在焊接过程中，随着熔滴向熔池的过渡，焊条和焊件连续熔化形成新的熔池，原先熔池中的液态金属在焊接中各种力的作用下被推向熔池后方，在温度降到熔点以下时凝固成焊缝，熔池后方液态金属生长的高度就是焊缝的高度，采用高斯分布的模型为基础，在这些地方的点的y坐标需要向上增加以模拟焊缝生长的过程，y坐标的生长量即模拟焊缝的余高量按式2计算：

$\mathrm{\Δy}=k_6{e}^{-R^2}$ (公式2)

式中：Δy为顶点y坐标上升的幅度；k₆为比例系数，控制模拟焊缝生长的快慢；R为顶点距离电弧中心的距离，通过该焊缝余高生长函数及OpenGL的渲染功能得到的模拟焊缝与真实焊缝比较效果图。

本发明顶点结构体中属性visiable表示是否绘制三角形，焊条走过后visiable为true，绘制三角形，焊条未走过的地方visiable为false，不绘制三角形，初始状态为false，不绘制任何三角形；

属性solidorliquid用来表示顶点当前是处于固态还是液态，当温度高于熔点就处于液态，当温度低于熔点就处于固态，初始状态为固态；

属性r，g，b表示颜色，用来显示焊接过程中熔池与焊缝颜色的变化，属性normalx，normaly，normalz是用来计算顶点的法向量，初始状态全部为0；

属性T表示顶点处的温度，根据温度来确定上面的颜色属性和状态属性，初始状态为T＝25。

本发明在确定属性后绘制网格三角形是在OpenGL中根据顶点绘制的多边形分正面和反面，网格三角形的三个顶点按逆时针排列的一面是正面可以直接显示，顶点按顺时针排列的是反面之后转180度才能看到，在绘制三角形时顶点排列统一用逆时针排列，为了按逆时针方向排列顶点绘制三角形，将三角形分为四种：偶数行正三角形，偶数行负三角形，奇数行负三角形，奇数行正三角形，经过循环绘制这四类三角形得到网格平面图。

本发明通过对平板堆焊熔池与焊缝成形过程的综合分析，将计算机图形学中的网格法用于焊接熔池与焊缝成形的模拟与仿真，构建了以平面三角形网格为基础的焊道、熔池及焊缝模型；结合高斯热源模型得到了熔池凹陷及焊缝余高生长函数，并以此为基础控制焊道平面上各三角形网格顶点的运动，从而形成凹陷的网格熔池及网格焊缝，有效地表征了实际焊后鱼鳞纹状焊缝形貌。经实际运行测试，集成系统运行稳定，模拟效果逼真。

附图说明

图1是本发明试板坐标系的结构示意图；

图2是本发明三角形绘制流程图；

图3是本发明网格三角形的绘制图；

图4是本发明绘制网格的效果图；

图5是本发明网格焊道的平面效果图；

图6是本发明电弧热量分布图，其中横坐标为距电弧中心的距离，纵坐标为电弧热量值；

图7是本发明模拟熔池的网格图；

图8是本发明模拟熔池的效果图；

图9是本发明模拟焊缝的生长图；

图10是本发明模拟焊缝的效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

网格法是计算机图形学中建模的一种重要的方法，每个网格都是一个多边形，采用多边形来构建复杂曲面，在对不规则曲面进行建模时有着独特的优势，随着网格的细化能细腻的表现实体的细节，达到较好的模拟效果，采用网格建模方法适应性强，能真实表现实体的细节。由于空间任意三点可以确定一个平面，因此常被选用的多边形是三角形。焊接过程中熔池与焊缝的表面是动态变化的不规则曲面，因此用平面三角形网格对焊道、熔池及焊缝进行建模。

焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型

焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型是指采用大量三角形拼接成网格焊道平面，同时对网格三角形的顶点定义各种属性值。在模拟与仿真过程中，通过控制三角形顶点的运动及顶点各种属性值的变化来改变三角形的形状、取向、颜色等，从而来模拟熔池与焊缝的复杂曲面，三角形的顶点属性通过三角形顶点结构体中的参数表征：

以float x，y，z表示顶点的坐标，其中x是垂直焊缝方向，y是垂直试板平面的方向，z是沿着焊缝方向，如图1所示坐标系。

由于网格越细越能表现熔池与焊缝的细节，但是网格太细会降低渲染速度影响系统的实时性，因此在绘制三角形网格平面时要考虑三角形的边长及数量以保证可以同时兼顾细节描绘与整个系统实时性的要求，因此应定义顶点数组来管理所有顶点。

属性visiable表示是否绘制三角形，因为只有焊条走过的地方才应该根据顶点绘制三角形用来表示熔池与焊缝的成形过程，焊条未走过的地方就不能绘制三角形，所以要用这个属性来表示是否绘制三角形，焊条走过后visiable为true，绘制三角形，焊条未走过的地方visiable为false，不绘制三角形。初始状态为false，不绘制任何三角形。

属性solidorliquid用来表示顶点当前是处于固态还是液态，因为焊接过程中涉及到熔化和凝固的问题，当处于液态时因为受到各种力的作用而发生变形，而在固态时不会发生形状的变化，这两种状态有着不同的演化规律，因此需要这样一个属性来标识顶点所处的状态，这两种状态也可以互相转化，当温度高于熔点就处于液态，当温度低于熔点就处于固态。初始状态为固态。

属性r，g，b表示颜色，用来显示焊接过程中熔池与焊缝颜色的变化，属性normalx，normaly，normalz是用来计算顶点的法向量，这是后来用作平滑处理需要的。初始状态全部为0。

属性T表示顶点处的温度，根据温度来确定上面的颜色属性和状态属性。初始状态为T＝25。

程序的运行过程如图2所示。先将试板中间部分的焊道区域网格化，引弧成功之后判断顶点是否处于电弧加热范围，将处于加热范围的顶点设置为可见，并设置顶点的各种属性，然后根据这些顶点绘制三角形。

确定以上几个属性之后就可以进行网格三角形的绘制。在OpenGL中根据顶点绘制的多边形分正面和反面，网格三角形的三个顶点按逆时针排列的一面是正面可以直接显示，顶点按顺时针排列的是反面之后转180度才能看到。在绘制三角形的时顶点排列统一用逆时针排列，如图3所示，为了按逆时针方向排列顶点绘制三角形，可以将三角形分为四种：偶数行正三角形(图中标号1的三角形)，偶数行负三角形(图中标号2的三角形)，奇数行负三角形(图中标号3的三角形)，奇数行正三角形(图中标号4的三角形)，经过循环绘制这四类三角形得到如图4的网格平面。

利用该模型得到网格焊道平面效果如图5所示。模拟熔池与焊缝的动态成形过程将在这个网格焊道平面上实现。

模拟熔池与焊缝成形

网格法实现平板堆焊过程中熔池与焊缝模拟的核心过程可以分为两个部分：

(1)如何合理地绘制网格焊道平面；(2)如何控制网格焊道三角形顶点的运动。而模拟熔池与焊缝的动态成形过程就是靠控制网格焊道三角形顶点运动来实现的。

熔池的模拟

焊接过程中，电弧在焊条和焊件之间燃烧，当加热一段时间后，试板上被电弧加热区域中的金属温度达到熔点时，开始熔化并形成熔池；熔池形成之后，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力向熔池过渡，熔池中的液态金属逐渐增加，在各种力的作用下发生凹陷。凹陷过程非常复杂，需要考虑的因素很多，为了模拟的方便，平板堆焊模拟中只考虑了电弧力的作用，而电弧力与电流密度成正比，呈高斯分布如图6所示，因此对熔池凹陷的模拟也采用高斯分布的形貌，随着电弧在某一点作用时间的增加，熔池凹陷的深度增加，对应图1所示的坐标系，网格三角形顶点的y坐标下降表示熔池的凹陷，在模拟中提出熔池凹陷函数，即公式1来计算顶点y坐标的下降量(模拟熔池的凹陷量)。模拟熔池的网格效果如图7所示。

$\mathrm{\Δy}=-k_5{e}^{-(\frac{{R_x}^2}{{a_x}^2}+\frac{R_z^2}{b_z^2})}$ (公式1)

式中：Δy为顶点y坐标下降的幅度；k₅为系数，可以通过调节k₅控制熔池凹陷的快慢；R_x为顶点与电弧中心x方向的距离；a_x为控制椭球的长度即熔池的长度，与焊接电流有关；R_z为顶点与电弧中心z方向的距离；b_z为控制椭球的宽度即熔池的宽度，与焊接电流有关。

通过该熔池凹陷函数及OpenGL的渲染功能得到的模拟熔池效果如图8所示。

焊缝成形的模拟

在焊接过程中，随着熔滴向熔池的过渡，焊条和焊件连续熔化形成新的熔池，原先熔池中的液态金属在焊接中各种力的作用下被推向熔池后方，在温度降到熔点以下时凝固成焊缝，熔池后方液态金属生长的高度就是焊缝的高度。因此，焊缝余高对模拟整个焊缝成形非常重要。

这里仍然采用高斯分布的模型为基础，提出焊缝余高生长函数来模拟焊缝成形过程中的余高量。模拟焊缝成形动态过程的示意图如图9所示，图中圆圈表示当前位置的电弧中心，在电弧后方的黑点代表目前还处于液态的点，在这些地方的点的y坐标需要向上增加以模拟焊缝生长的过程。y坐标的生长量(模拟焊缝的余高量)按式2计算：

$\mathrm{\Δy}=k_6{e}^{-R^2}$ (公式2)

式中：Δy为顶点y坐标上升的幅度；k₆为比例系数，控制模拟焊缝生长的快慢；R为顶点距离电弧中心的距离。

焊缝的生长按如下规则进行，熔池具有一定的长度，在这个长度范围内的处于液态的点的y坐标生长，在图9中顶点2处于焊道上，顶点1和3分别处于焊道两侧，因此R₂比R₁和R₃风小，对于式2中e的负指数函数，指数R越小函数值越大，因此位于焊道中心的点的Δy最大，生长速度最快，偏离焊道中心越远的地方Δy越小，生长速度越慢。通过该焊缝余高生长函数及OpenGL的渲染功能得到的模拟焊缝与真实焊缝比较效果如图10所示。

Claims (3)

1.一种平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于：

1)焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型

焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型是指采用大量三角形拼接成网格焊道平面，同时对网格三角形的顶点定义各种属性值，在模拟与仿真过程中，通过控制三角形顶点的运动及顶点各种属性值的变化来改变三角形的形状、取向和颜色，从而来模拟熔池与焊缝的复杂曲面，三角形的顶点属性通过三角形顶点结构体中的参数表征：

以float x，y，z定义顶点的坐标，其中x是垂直焊缝方向，y是垂直试板平面的方向，z是沿着焊缝方向；属性visiable表示是否绘制三角形；属性solidorliquid用来表示顶点当前是处于固态还是液态；以float r，g，b定义顶点的颜色；属性normalx、normaly、normalz用来计算顶点的法向量；T定义为每个顶点温度；

模拟焊接时，引弧成功之后判断顶点是否处于电弧加热范围，将处于加热范围的顶点设置为可见，并设置顶点的各种属性，然后根据这些顶点绘制三角形，在焊接过程中顶点的坐标按一定的规律变化，从而模拟焊接过程中熔池和焊缝的成形过程；

2)熔池的模拟

焊接过程中，电弧在焊条和焊件之间燃烧，当加热一段时间后，试板上被电弧加热区域中的金属温度达到熔点时，开始熔化并形成熔池；熔池形成之后，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力向熔池过渡，熔池中的液态金属逐渐增加，在各种力的作用下发生凹陷，对熔池凹陷的模拟也采用高斯分布的形貌，随着电弧在某一点作用时间的增加，熔池凹陷的深度增加，网格三角形顶点的y坐标下降表示熔池的凹陷，在模拟中提出熔池凹陷函数，即公式1来计算顶点y坐标的下降量即模拟熔池的凹陷量，

$\mathrm{\Δy}=-k_5{e}^{-(\frac{{R_x}^2}{{a_x}^2}+\frac{{R_z}^2}{b_z^2})}$ (公式1)

式中：Δy为顶点y坐标下降的幅度；k₅为系数，可以通过调节k₅控制熔池凹陷的快慢；R_x为顶点与电弧中心x方向的距离；a_x为控制椭球的长度即熔池的长度，与焊接电流有关；R_z为顶点与电弧中心z方向的距离；b_z为控制椭球的宽度即熔池的宽度，与焊接电流有关；通过该熔池凹陷函数及OpenGL的渲染功能得到的模拟熔池效果；

3)焊缝成形的模拟

在焊接过程中，随着熔滴向熔池的过渡，焊条和焊件连续熔化形成新的熔池，原先熔池中的液态金属在焊接中各种力的作用下被推向熔池后方，在温度降到熔点以下时凝固成焊缝，熔池后方液态金属生长的高度就是焊缝的高度，采用高斯分布的模型为基础，在这些地方的点的y坐标需要向上增加以模拟焊缝生长的过程，y坐标的生长量即模拟焊缝的余高量按式2计算：

$\mathrm{\Δy}=k_6{e}^{-R^2}$ (公式2)

式中：Δy为顶点y坐标上升的幅度；k₆为比例系数，控制模拟焊缝生长的快慢；R为顶点距离电弧中心的距离，通过该焊缝余高生长函数及OpenGL的渲染功能得到的模拟焊缝与真实焊缝比较效果图。

2.根据权利要求1所述的平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于：顶点结构体中属性visiable表示是否绘制三角形，焊条走过后visiable为true，绘制三角形，焊条未走过的地方visiable为false，不绘制三角形，初始状态为false，不绘制任何三角形；

属性solidorliquid用来表示顶点当前是处于固态还是液态，当温度高于熔点就处于液态，当温度低于熔点就处于固态，初始状态为固态；

属性r，g，b表示颜色，用来显示焊接过程中熔池与焊缝颜色的变化，属性normalx，normaly，normalz是用来计算顶点的法向量，初始状态全部为0；

属性T表示顶点处的温度，根据温度来确定上面的颜色属性和状态属性，初始状态为T＝25。

3.根据权利要求1所述的平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于：所述的在确定属性后绘制网格三角形是在OpenGL中根据顶点绘制的多边形分正面和反面，网格三角形的三个顶点按逆时针排列的一面是正面可以直接显示，顶点按顺时针排列的是反面之后转180度才能看到，在绘制三角形时顶点排列统一用逆时针排列，为了按逆时针方向排列顶点绘制三角形，将三角形分为四种：偶数行正三角形，偶数行负三角形，奇数行负三角形，奇数行正三角形，经过循环绘制这四类三角形得到网格平面图。

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