CN105138772A - 变截面构件电子束焊的有限元模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变截面构件电子束焊的有限元模拟方法，属于电子束焊接技术领域。本发明针对电子束焊接特别是深熔型激光焊接过程，建立了有限元网格模型，添加合理的初始条件和边界条件，利用有限元计算软件进行求解，计算结果表明该热源模型及有限元网格模型可实现变截面电子束焊接过程，模型计算过程全程自主，中间无任何人工干预，因此本发明针对变截面电子束焊接实现了其有限元计算过程，同时克服了传统模拟方法效率低的缺陷，提高了计算效率，简化了计算过程。

Description

变截面构件电子束焊的有限元模拟方法

技术领域

本发明涉及电子束焊接技术领域，具体涉及一种变截面构件电子束焊的有限元模拟方法。

背景技术

电子束焊接作为一种焊接效率高、焊缝质量高、精度高和焊后变形小的焊接方法得到日益广泛的应用和不断的开发，已经广泛地应用到机械制造、航空航天、汽车工业以及微电子行业等领域。尤其是在航空航天领域，电子束焊接因其能够实现多种类型材料的连接，焊缝具有其他熔焊工业无法比拟的优越性等优点在航空工业的应用中做出了开创性贡献。采用电子束焊接的焊接结构从降低飞行器制造成本、缩短生产周期、减轻重量、提高构件的机械性能，提高运载能力、增强稳定性方面，都有良好的效果。电子束所焊接的结构件一般比较复杂，且材料造价比较高，制造工艺不成熟，如果采用物理实验或者是依靠经验的方法需要做很多次试验，试验周期很长，这将会耗费大量的不必要成本，严重消耗大量物力人力资源，严重的影响到构件的投入生产使用的时间。采用数值模拟的方法来代替前期不必要的物理实验，可以节约大量的成本和物力人力资源，缩短研究周期。将生产车间的反复性试验交由计算机处理，可减少实际试验的反复性和盲目性，并且焊接在模拟过程中调整方便，便于控制。

通过电子束焊实现连接的构件结构通常比较复杂，所要施焊部位的厚度经常会改变，即变截面焊缝。实现变截面焊的电子束焊接，必须改变焊接工艺，才能得到理想的焊缝，否则会出现未焊透现象。电子束焊接的有限元模拟过程一般通过有限元软件的二次开发来添加热源，一旦焊接工艺确立通常无法实时控制和改变。所以变截面的电子束焊焊缝的模拟结果是一道尺寸不变焊缝，因而无法与实验结果相匹配。若想用常规手段实现变截面的电子束焊接，需通过改变二次开发子程序中的焊接工艺，分段加载到构件的焊接过程中。然而当构件中的变截面焊缝数量较多时，若采用上述传统方法，不但子程序的编写量，边界条件的加载次数繁多，而且有限元软件在调用冗长的子程序时会降低计算效率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何解决对变截面电子束焊接模拟一次加载实现问题，以提高计算效率。

(二)技术方案、

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变截面构件电子束焊的有限元模拟方法，包括以下步骤：

S1、建立三维有限元网格模型：

在三维造型软件中建立工件的几何模型，利用网格划分软件或者有限元计算软件对工件进行网格划分；

S2、建立变截面电子束焊接热源模型，其中面热源和体热源分别为：

$f_s(x,y,t)=\frac{\mathrm{\α}P\left(t\right){\mathrm{\η}}_1\left(t\right)}{{\mathrm{\πR}}_s^2\left(t\right)}\exp \[\frac{-\mathrm{\α}(x^2+y^2)}{R_s^2\left(t\right)}\]---\left(1\right)$

$f_v\left(x,y,z,t\right)=\left(1-\frac{z\mathrm{\β}}{H\left(t\right)}\right)\frac{\mathrm{\α}P\left(t\right){\mathrm{\η}}_2\left(t\right)}{{\mathrm{\πR}}_v^2\left(t\right)H\left(t\right)\left(1-\mathrm{\β}/2\right)}\exp \[\frac{-\mathrm{\α}\left(x^2+y^2\right)}{R_v^2\left(t\right)}\]---\left(2\right)$

式中，f_s(x,y,t)为面热源在工件表面上的热流密度分布，R_s ²(t)为面热源有效加热半径，P(t)为焊接功率，参数η₁(t)为面热源能量分配系数，t为时间，α为热流集中系数，f_v(x,y,z,t)为体热源在工件内部各个位置的热流密度分布，H(t)为热源有效作用深度，β为体热源衰减系数，R_v(t)为有效作用半径复制双椭球热源模型，η₂(t)为体热源能量分配系数，η₁(t)+η₂(t)为整个热源的有效系数；

S3、将步骤S2建立的热源模型离散化：

将所述热源模型进行程序化，对公式(1)和公式(2)进行离散编程；

S4、将步骤S3产生的热源模型加载到步骤S1所建立的网格模型上，设置热源边界条件、初始条件及控制热源位置，基于有限元计算软件求解热-弹塑性控制方程。

优选地，步骤S4中求解热-弹塑性控制方程中利用热-机耦合原理：热源模型的电子束焊接熔池的横截面呈一个钉子形状，电子束焊接熔池在“钉子头”下方的熔化区域尺寸小于预设阈值，熔深随着焊接功率的增大而增大。

优选地，在步骤S4中设置热源边界条件和初始条件具体为：

设置工件底面与工作台之间存在传导换热；其他表面的热边界条件为热对流和热辐射；初始条件为工件初始温度为20摄氏度。

优选地，步骤S4中加载热源模型的方式为调用子程序加载。

(三)有益效果

本发明针对电子束焊接特别是深熔型激光焊接过程，建立了有限元网格模型，添加合理的初始条件和边界条件，利用有限元计算软件进行求解，计算结果表明该热源模型及有限元网格模型可实现变截面电子束焊接过程，模型计算过程全程自主，中间无任何人工干预，因此本发明针对变截面电子束焊接实现了其有限元计算过程，同时克服了传统模拟方法效率低的缺陷，提高了计算效率，简化了计算过程。

附图说明

图1为本发明实施例的方法中所建立的板材的几何模型图示；

图2为本发明实施例的方法中工件网格划分示意图；

图3为本发明实施例的方法中所建立的电子束焊接热源模型图；

图4为本发明实施例的方法计算结果显示的焊接初始时刻的熔池形貌，其中(a)为整体图，(b)为局部放大图；

图5为本发明实施例的方法计算结果显示的焊接结束时刻的熔池形貌，其中(a)为整体图，(b)为局部放大图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供了一种变截面构件电子束焊的有限元模拟方法，包括以下步骤：

S1、建立三维有限元网格模型：

本实施例中，板材的尺寸参数为：长100mm，宽100mm，厚度方向呈变截面状，薄侧厚度为5mm，厚侧为10mm，中间呈线性过渡，材料为钛合金TA15。电子束热源沿着板材对称面上进行焊接，所以模拟过程为减小计算量只对板材的一半进行模拟，对称面上施加对称边界条件。在三维造型软件中建立工件的几何模型如图1所示，利用网格划分软件或者有限元计算软件对工件进行网格划分(划分后的模型如图2所示)，网格划分统一采用六面体单元，靠近焊缝的区域采用单元较小的加密型网格，离焊缝越远，网格尺寸越大，共12920个单元，15624个节点。

S2、建立变截面电子束焊接热源模型，其中面热源模型为：

$f_s(x,y,t)=\frac{\mathrm{\α}P\left(t\right){\mathrm{\η}}_1\left(t\right)}{{\mathrm{\πR}}_s^2\left(t\right)}\exp \[\frac{-\mathrm{\α}(x^2+y^2)}{R_s^2\left(t\right)}\]---\left(1\right)$

体热源采用能量输入全部集中于一个圆柱体内的高斯旋转体热源，体热源的热流密度在热源有效作用深度范围内随着的深度的增加而呈线性衰减。体热源模型为：

$f_v(x,y,z,t)=(1-\frac{z\mathrm{\β}}{H\left(t\right)})\frac{\mathrm{\α}P\left(t\right){\mathrm{\η}}_2\left(t\right)}{{\mathrm{\πR}}_v^2\left(t\right)H\left(t\right)(1-\mathrm{\β}/2)}\exp \[\frac{-\mathrm{\α}(x^2+y^2)}{R_v^2\left(t\right)}\]---\left(2\right)$

式中，f_s(x,y,t)为面热源在工件表面上的热流密度分布，R_s ²(t)为面热源有效加热半径，P(t)为焊接功率，参数η₁(t)为面热源能量分配系数，t为时间，α为热流集中系数，f_v(x,y,z,t)为体热源在工件内部各个位置的热流密度分布，H(t)为热源有效作用深度，β为体热源衰减系数，R_v(t)为有效作用半径复制双椭球热源模型，η₂(t)为体热源能量分配系数，η₁(t)+η₂(t)为整个热源的有效系数；

S3、将步骤S2建立的热源模型离散化：

由于所建立的组合热源模型仅为一个解析模型，计算机无法识别，所以将所述热源模型进行程序化，对公式(1)和公式(2)进行离散编程；编程过程中定义所有焊接工艺参数：焊接功率开始薄侧起焊时为P＝800W，焊接结束时P＝1600W，焊接功率随着板厚的增加而呈线性逐渐增加；焊接速度为v＝300mm/min；

S4、将步骤S3产生的热源模型通过调用子程序的方式加载到步骤S1所建立的网格模型上，设置热源边界条件、初始条件及控制热源位置，基于有限元计算软件(本实施例中为MSC.Marc)求解热-弹塑性控制方程，求解过程中利用热-机耦合计算的原理：热源模型的电子束焊接熔池的横截面呈一个钉子形状，电子束焊接熔池在“钉子头”下方的熔化区域尺寸小于预设阈值，熔深随着焊接功率的增大而增大，如图3所示。

在步骤S4中设置热源边界条件和初始条件具体为：

设置工件底面与工作台之间存在传导换热；其他表面的热边界条件为热对流和热辐射；初始条件为工件初始温度为20摄氏度。

求解的热-弹塑性控制方程为：

dσ＝[D_ep]dε＝([D_e]-[D_p])dε(3)

式中，[D_e]为弹性矩阵，[D_p]为塑性矩阵，[D_ep]为弹塑性矩阵，即完成了电子束焊接有限元模型的建立，σ表示应力，ε表示应变。

上述方程(3)是由三维具有内热源和瞬态温度场的固体导热微分方程(4)推导出来的：

$\frac{\∂T}{\∂t}=\frac{k}{{\mathrm{\ρc}}_p}(\frac{{\∂}^{2}T}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂y^2}+\frac{{\∂}^{2}T}{\∂z^2}+\frac{f_v}{k})---\left(4\right)$

式中，T为物体的瞬态温度，k为材料的导热系数，ρ为材料的密度，c_p为材料的定压比热，f_v为材料的内热源强度，x,y,z分别为坐标系中的三向坐标。

步骤S5、结果提取

电子束焊接开始时，焊接功率较小，得到的熔池熔深较小，如图4所示，随着焊接时间的增加，电子束焊接功率的增大，熔池的熔深自动的增大，如图5焊接结束时熔池形貌结果所示。结果显示，本发明所建立的热源模型及有限元模拟方法可自动的计算变截面电子束焊接，中间无人工干预，计算结果可靠，计算效率较高。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种变截面构件电子束焊的有限元模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立三维有限元网格模型：

在三维造型软件中建立工件的几何模型，利用网格划分软件或者有限元计算软件对工件进行网格划分；

S2、建立变截面电子束焊接热源模型，其中面热源和体热源分别为：

$f_s(x,y,t)=\frac{\mathrm{\α}P\left(t\right){\mathrm{\η}}_1\left(t\right)}{{\mathrm{\πR}}_s^2\left(t\right)}\exp \[\frac{-\mathrm{\α}(x^2+y^2)}{R_s^2\left(t\right)}\]---\left(1\right)$

$f_v\left(x,y,z,t\right)=\left(1-\frac{z\mathrm{\β}}{H\left(t\right)}\right)\frac{\mathrm{\α}P\left(t\right){\mathrm{\η}}_2\left(t\right)}{{\mathrm{\πR}}_v^2\left(t\right)H\left(t\right)\left(1-\mathrm{\β}/2\right)}\exp \[\frac{-\mathrm{\α}\left(x^2+y^2\right)}{R_v^2\left(t\right)}\]---\left(2\right)$

式中，f_s(x,y,t)为面热源在工件表面上的热流密度分布，R_s ²(t)为面热源有效加热半径，P(t)为焊接功率，参数η₁(t)为面热源能量分配系数，t为时间，α为热流集中系数，f_v(x,y,z,t)为体热源在工件内部各个位置的热流密度分布，H(t)为热源有效作用深度，β为体热源衰减系数，R_v(t)为有效作用半径复制双椭球热源模型，η₂(t)为体热源能量分配系数，η₁(t)+η₂(t)为整个热源的有效系数；

S3、将步骤S2建立的热源模型离散化：

将所述热源模型进行程序化，对公式(1)和公式(2)进行离散编程；

S4、将步骤S3产生的热源模型加载到步骤S1所建立的网格模型上，设置热源边界条件、初始条件及控制热源位置，基于有限元计算软件求解热-弹塑性控制方程。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中求解热-弹塑性控制方程过程中利用热-机耦合原理：热源模型的电子束焊接熔池的横截面呈一个钉子形状，电子束焊接熔池在“钉子头”下方的熔化区域尺寸小于预设阈值，熔深随着焊接功率的增大而增大。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中设置热源边界条件和初始条件具体为：

设置工件底面与工作台之间存在传导换热；其他表面的热边界条件为热对流和热辐射；初始条件为工件初始温度为20摄氏度。

4.如权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，步骤S4中加载热源模型的方式为调用子程序加载。