CN102394018A - 一种单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法，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；结合双椭球模型和高斯热源模型得到了熔池凹陷及焊缝余高生长函数；本发明采用两层网格分别模拟打底层的正面和背面焊缝，填充层和盖面层分别用相应的单层网格模拟；并通过熔池凹陷及焊缝余高生长函数控制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。经实际运行测试，集成系统运行稳定，模拟效果逼真。

Description

一种单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法

【技术领域】

本发明属于焊接操作模拟培训系统中单面焊双面成形的模拟与仿真，本发明涉及一种虚拟单面焊双面成形熔池与焊缝成形过程的网格实现方法。

【背景技术】

近年来，虚拟现实与视景仿真技术在焊接领域的应用逐渐趋于成熟，相比传统的焊工培训方法，基于计算机技术的焊接操作模拟培训系统由于其无污染、高效率、低成本、易操作等优点越来越受到人们的青睐。这种培训方法创建一个能够实时反映焊枪姿态以及不同姿态下焊接熔池和焊缝形貌的虚拟三维世界，并通过头盔显示器、音响设备、数据手套等辅助设备提供给操作者视、听、触觉的反馈，使用户仿佛身临其境，产生沉浸感，对焊接过程产生直观的认识，从而达到培训的目的。

网格法是计算机图形学中建模的一种重要方法，每个网格都是一个多边形，采用多边形来构建复杂曲面，这种方法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地表现实体的细节，达到较好的模拟效果。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，因此这里用三角形网格对熔池与焊缝进行建模可以最大程度的模拟整个熔池和焊缝表面的动态变化过程，采用熔池焊缝的网格一体化模型，通过控制三角形网格顶点的变化来改变三角形的形状和取向从而来模拟熔池与焊缝的复杂曲面。

国内现有关于焊接培训模拟的技术大多为机械式的模拟：CNl01419755A提供了一种多功能焊接模拟训练装置；CN201465333U公开了一种基于PLC的电弧焊仿真训练器；CNl909020A提出了一种氩弧焊焊接操作模拟培训装置。仅有的关于焊接过程模拟的是CNl01719333A公开的平板堆焊成形过程模拟与仿真，而关于单面焊双面成形过程的模拟目前尚属空白。

【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单面焊双面成形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单面焊双面成形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单面焊双面成形熔池与焊缝成形的细节，且系统实时性不受限制的单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法：

1)熔池模拟

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，对熔池凹陷的模拟结合双椭球模型和高斯热源模型，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3来计算顶点y坐标的下降量即模拟熔池的凹陷量，

${\mathrm{\Δy}}_1={-k}_1{e}^{-c(\frac{{R_x}^2}{{a_x}^2}+\frac{R_z^2}{b_z^2})}$ (公式3)

式中：Δy₁为三角形网格顶点y坐标下降的幅度；k₁为系数，通过调节k₁控制熔池凹陷的快慢；R_x为三角形网格顶点与电弧中心x方向(熔池宽度方向)的距离；a_x为控制椭球的宽度即熔池的宽度；R_z为三角形网格顶点与电弧中心z方向的距离；b_z为控制椭球的长度即熔池的长度；c为熔池形貌的修正系数，取值为1～3；通过该熔池凹陷函数及OpenGL的渲染功能得到模拟熔池效果；

2)焊缝模拟

打底焊时由于重力、电弧力以及表面张力的相互作用，焊道背面网格由熔池凹陷形成，焊层正面呈基本水平或稍下凹状态，焊道正面焊缝控制函数如公式5所示：

$\mathrm{\Δy}=k_2\exp [-a{\left(\frac{R}{b}\right)}^n]$ (公式5)

式中：Δy为三角形顶点y坐标变化的幅度；k₂为比例系数，表示焊缝生长的快慢；a是修正系数，取值为整数；R为三角形顶点距离电弧中心的距离；b是熔宽控制系数；n是可调系数，处于指数位置，影响焊缝形貌；通过该焊道正面焊缝控制函数及OpenGL的渲染功能得到模拟焊缝效果。

在熔池的模拟之前建立焊道、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。

步骤2中，a＝3，n＝5。

步骤1)中c的取值为1、2或3。

步骤1)中c的取值为3。

k₁＝d，d＝-3.689+0.068I+0.151U-1.982v-0.071g；a_x＝w，

w＝-3.83+0.058I+0.095U-1.199v+0.831g；其中I为焊接电流，U为焊接电压，v为焊接速度，g为试板装配间隙。

b_z＝l，l＝3.2UI。

b＝w，w＝-3.83+0.058I+0.095U-1.199v+0.831g。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明一种单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法，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；结合双椭球模型和高斯热源模型得到了熔池凹陷及焊道正面焊缝控制函数，并以此为基础控制焊道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1a～1d为多层网格法原理示意图；其中，图1a为打底焊层网格的绘制示意图；图1b为第二焊层网格的绘制示意图；图1c为第三焊层网格的绘制示意图；图1d为盖面层网格的绘制示意图；

图2为打底焊模拟示意图；

图3a～3b为模拟焊件中多层网格设置示意图；其中，图3a为横截面示意图；图3b为侧视示意图；

图4是本发明试板坐标系的结构示意图；

图5是本发明三角形绘制流程图；

图6是本发明网格三角形的绘制图；

图7是本发明绘制网格的效果图；

图8为双椭球模型示意图；

图9为高斯模型示意图；

图10为模拟熔池侧视图；

图11为模拟熔池俯视图；

图12a～12b为不同尺寸的模拟焊缝截面示意图；其中，图12a中熔宽熔深分别为6mm和3mm；图12b中宽熔深分别为8mm和4.5mm；

图13为打底层正面焊缝图；

图14为打底层正面模拟焊缝图；

图15为由四个焊层组成的单面焊双面成形焊缝图；

图16a～16b为不同操作者的打底焊虚拟背面焊缝效果图；其中，图16a为高级焊工训练得到的打底焊虚拟背面焊缝效果图；图16b为新手训练所得的打底焊虚拟背面焊缝效果图；

图17a～17b为焊接电流对焊缝形貌的影响图；其中，图13a为焊道正面；图13b为焊道背面；

图18为未焊透模拟图；

图19为未熔合模拟图；

图20为焊瘤模拟图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

单面焊双面成形模拟中最关键的技术有两部分：一是合理的绘制网格，使其能够体现出不同焊层(打底层、填充层、盖面层)；二是合理的数学函数，用其控制三角形网格顶点的运动，并且在光照、材质等物理因素和弧光、飞溅、声音等视觉听觉因素的共同作用下形象逼真的模拟出熔池焊缝。本发明采用多层网格法实现焊层模拟；用多种热源模型结合的方法得到熔池凹陷及焊缝余高生长函数。

1、多层网格法

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。

多层网格法顾名思义就是采用多于一层的网格平面来实现整个虚拟单面焊双面成形过程，具体过程见图1。本发明中所采用的焊接试板模型为角度为60°的V形坡口，大小为300mm*200mm*12mm，根据经验通常需进行四层焊接，由于打底层是单面焊双面成形，因此用两层网格分别模拟打底层的正面和背面焊缝，填充层和盖面层分别用相应的单层网格模拟。每一层虚拟焊接完成后，都会在距离该已焊层网格一定高度的位置绘制下一层网格，新层的网格不是一开始就绘制好，而是随着焊条的移动实时绘制的，这样能更加真实的模拟焊接过程。

单面焊双面成形模拟采用的多层网格法，打底焊道由于背面成形的特殊性，分别用两层网格来模拟焊道的正面和背面，初始状态下这两层网格是重合在一起的，随着打底焊的进行两层三角形网格顶点坐标开始分别随设定好的数学函数发生变化，从而模拟出打底焊道的正面和背面成形，示意图见图2。

填充层和盖面层都是采用单层网格来模拟的，每层的网格都是绘制在模拟焊件坡口中固定高度的位置，如图3所示。进行焊接训练时，首先选择焊层，即选定某一高度的网格层，完成该层的焊接后，需要继续选择下一焊层，否则不会激活下一层网格，运动的仍是当前网格层。

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4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5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6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7的网格平面。

2、熔池焊缝的模拟

单面焊双面成形的冶金特点就是要让电弧作用到背面熔池，为了简化模型，在打底焊的模拟中，仅考虑焊缝形貌与焊接工艺参数的关系。采用计算机技术与统计检验方法结合的方式得到打底层焊道宽度w和高度d与焊接工艺参数(焊接电流I，焊接电压U，焊接速度v，试板装配间隙g)的关系：

w＝-3.83+0.058I+0.095U-1.199v+0.831g                  (公式1)

d＝-3.689+0.068I+0.151U-1.982v-0.071g                 (公式2)

2.1熔池模拟

用解析法求解熔池时得到的结果是近似于双椭球的的形状，但该方法是将热源理想化为点状热源进行计算的，实际焊接电弧不是点状的，而是在一个区域输入的，类似于高斯分布，因此本发明结合双椭球模型(示意图见图8)和高斯热源模型(示意图见图9)进行熔池模拟，熔池函数如公式3所示：

${\mathrm{\Δy}}_1={-k}_1{e}^{-c(\frac{{R_x}^2}{{a_x}^2}+\frac{R_z^2}{b_z^2})}$ (公式3)

式中：Δy₁为三角形网格顶点y坐标下降的幅度；k₁为系数，通过调节k₁控制熔池凹陷的快慢；c为修正系数，是控制熔池最终形貌的关键参数，一般取值为1、2或3，优选为3；R_x为三角形网格顶点与电弧中心x方向(熔池宽度方向)的距离；a_x为控制椭球的宽度即熔池的宽度；R_z为三角形网格顶点与电弧中心z方向(熔池长度方向)的距离；b_z为控制椭球的长度即熔池的长度。

熔池在经过过渡时期以后，进入准稳态时期，这时熔池的形状、尺寸和质量不再变化，只取决于母材的种类和焊接工艺条件。调节公式3中的参数可以得到不同的熔池形貌，结合焊缝熔深熔宽公式1和公式2，分别将d和w代入公式3中的k₁和a_x，熔池长度l计算见公式4，将l带入公式3中的b_z，熔池侧视和俯视图分别如图10、11所示。

l＝3.2UI                                         (公式4)

2.2焊缝模拟

根据经验，打底焊时由于重力、电弧力以及表面张力的相互作用，焊道背面网格由熔池凹陷形成，焊层正面呈基本水平或稍下凹状态，焊道正面焊缝控制函数如公式5所示：

$\mathrm{\Δy}=k_2\exp [-a{\left(\frac{R}{b}\right)}^n]$ (公式5)

式中：Δy为三角形顶点y坐标变化的幅度，当为正时表示焊缝是向上凸起，为负表示焊缝下凹；k₂为比例系数，表示焊缝生长的快慢；a是修正系数，取值为整数；R为三角形顶点距离电弧中心的距离；b是熔宽控制系数；n是可调系数，处于指数位置，影响焊缝形貌。

对函数中的可调参数变化对打底焊层正面形貌的影响进行分析调整，最终发现当a选3，n为5时，函数形貌与真实打底焊层表面较为接近，函数中的参数b控制熔宽，将熔宽公式中的w代入参数b。图12为公式3和公式5控制下的焊缝图，图12a熔宽熔深分别为6mm和3mm，图12b图熔宽熔深分别为8mm和4.5mm。

3、模拟与仿真方法结果

3.1模拟效果

请参阅图13至图15所示，为采用多层网格法的单面焊双面成形模拟效果对比，图13和图14分别为打底层焊缝的真实及模拟图。图15为由四个焊层组成的虚拟焊缝图。

图16是不同焊接水平的操作者得到的打底焊背面焊缝成形，其中图16a的虚拟焊缝是由高级焊工训练得到，图16b为焊接新手进行操作得到的虚拟焊缝，可以看出16a图中的焊缝成形均匀美观，而16b图新手训练所得焊缝粗细不均，不平直，可见本发明模拟与仿真方法可以很好的反映出使用者的焊接水平。

3.2焊缝形貌与焊接工艺参数关系

在焊接模拟中，由于建立了熔池焊缝形貌与焊接工艺参数的关系，因此可以实现焊缝尺寸随参数的不同而变化，该方法同时也可以模拟出未熔合、未焊透、焊瘤和烧穿现象。

图17所示为焊接电流分别选择90A、100A和110A时的打底焊道，其中17a图为焊道正面，17b图为焊道背面，由两图可见，随着焊接电流的增大熔宽略微增大，焊缝厚度和背面余高都增大；其中1、2、3段焊接电流依次增大。

由公式1和公式2中各项系数可以得到，焊接速度对熔宽熔深的影响最为显著。随着焊速的增加熔宽熔深均减小，同时可能出现焊接缺陷，图18圈出部分为打底焊道两段虚拟焊缝接头处未焊透的现象，图19为未熔合的模拟图。

当焊接速度较慢时，加上其他工艺参数的选择不当，则可能会造成焊瘤等缺陷的产生，图20为模拟焊瘤图。

Claims (7)

1.一种单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于：

1)熔池模拟

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，对熔池凹陷的模拟结合双椭球模型和高斯热源模型，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3来计算顶点y坐标的下降量即模拟熔池的凹陷量，

${\mathrm{\Δy}}_1={-k}_1{e}^{-c(\frac{{R_x}^2}{{a_x}^2}+\frac{R_z^2}{b_z^2})}$ (公式3)

式中：Δy₁为三角形网格顶点y坐标下降的幅度；k₁为系数，通过调节k₁控制熔池凹陷的快慢；R_x为三角形网格顶点与电弧中心x方向(熔池宽度方向)的距离；a_x为控制椭球的宽度即熔池的宽度；R_z为三角形网格顶点与电弧中心z方向的距离；b_z为控制椭球的长度即熔池的长度；c为熔池形貌的修正系数，取值为1～3；通过该熔池凹陷函数及OpenGL的渲染功能得到模拟熔池效果；

2)焊缝模拟

打底焊时由于重力、电弧力以及表面张力的相互作用，焊道背面网格由熔池凹陷形成，焊层正面呈基本水平或稍下凹状态，焊道正面焊缝控制函数如公式5所示：

$\mathrm{\Δy}=k_2\exp [-a{\left(\frac{R}{b}\right)}^n]$ (公式5)

式中：Δy为三角形顶点y坐标变化的幅度；k₂为比例系数，表示焊缝生长的快慢；a是修正系数，取值为整数；R为三角形顶点距离电弧中心的距离；b是熔宽控制系数；n是可调系数；通过该焊道正面焊缝控制函数及OpenGL的渲染功能得到模拟焊缝效果。

2.如权利要求1所述的单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于，在熔池的模拟之前建立焊道、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。

3.如权利要求1所述的单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于，步骤2)中，a＝3，n＝5。

4.如权利要求1所述的单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于，步骤1)中c的取值为1、2或3。

5.如权利要求1所述的单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于，k₁＝d，d＝-3.689+0.068I+0.151U-1.982v-0.071g；a_x＝w，w＝-3.83+0.058I+0.095U-1.199v+0.831g；其中I为焊接电流，U为焊接电压，v为焊接速度，g为试板装配间隙。

6.如权利要求5所述的单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于，b_z＝l，l＝3.2UI。

7.如权利要求5所述的单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于，b＝w，w＝-3.83+0.058I+0.095U-1.199v+0.831g。

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