CN110096720A - 一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法、存储装置及移动终端 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法、存储装置及移动终端，包括A、通过高斯热源模型原理模拟焊枪的热源模型；B、用热传导方程模拟焊件的导热以及与空气的对流换热；C、用二维波动方程进行模拟焊池波动；D、温度下降到焊件熔点以下后，熔池凝固形成焊缝，采用上述方案，运用二维热传导方程以及结合二维波动方程，较逼真地实时模拟出液态熔池，能够提供实时的液态熔池模拟，使焊工能够在虚拟环境中，看到液态熔池的成型，与实际情况完全吻合，切实提升焊接培训的效果。
Description
技术领域
本发明涉及计算机图形学和焊接仿真领域，尤其涉及一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法、存储装置及移动终端。
背景技术
焊工训练的时候，关注熔池的形态，并同时根据熔池的形态来调整焊接姿势。目前应用在焊接培训系统中的熔池成型模拟的技术大部分采用固体模型进行切分网格，从而仿真获得熔池形态，这种形态与实际中呈液态的熔池不符。
熔池的形貌跟焊缝的形貌以及焊接的质量直接相关，有经验的焊工，能够通过熔池的形貌来判断焊接的好坏，焊工可以通过调整焊枪的姿势获得较好形态的熔池，进而获得成型较好的焊缝。而目前用于焊工培训的各虚拟系统中，因为仅获得固态熔池，与实际工作场景不符，无法培养焊工判断识别熔池并据此作出相应姿势调整的能力，达不到最优效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法、存储装置及移动终端，以解决现有技术存在的上述缺陷中的至少一种。
为达上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法，其特征在于，所述焊接熔池及焊缝成型模拟方法包括以下步骤：
A、通过高斯热源模型原理模拟焊枪的热源模型；
B、用热传导方程模拟焊件的导热以及与空气的对流换热；
C、用二维波动方程进行模拟焊池波动；
D、通过上述模型进行动态观察，最终焊池凝固成焊缝。
优选为，所述步骤A具体为：将焊件和焊缝模拟成整体的网格，分为焊接区域和非焊接区域，焊接区域将会映射到一个纹理空间，将模拟用到的数据都保存到2D纹理里面。
优选为，所述步骤B具体为：计算焊件的热量分布，将热量值保存到2D纹理，用二维热传导方程进行模拟。
优选为，所述步骤C具体为：温度超过焊件熔点时形成熔池，通过二维波动方程进行模拟，另外高温使得焊件融化，对焊接区域高度图不断进行高斯模糊，最后冷却形成焊缝，将熔池液面波动图的数据复制到焊接区域高度图里。
优选为，所述步骤D具体为：得到焊接区域高度图和焊接区域法线图后，将它们映射到网格模型的焊接区域，同时计算顶点位移和光照即可。
优选为，所述步骤B中的热传导方程具体如下：
二维热传导方程：
三维热传导方程：
其中：
T温度
k介质导热系数；c介质比热；ρ介质密度
F产生或失去的热量,跟边界条件有关。F＝0时，说明介质是绝热的。
优选为，所述C中的波动方程具体如下：
其中：
c是波速
u是粘滞系数
h是波高度。
一种存储装置，其特征在于，所述存储装置存储有计算机程序，所述计算机程序能够被执行以实现所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法。
一种移动终端，其特征在于，包括：处理器、与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法；
所述处理器用于调用所述存储器中的计算机程序，以执行上述所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明包括A、通过高斯热源模型原理模拟焊枪的热源模型；B、用热传导方程模拟焊件的导热以及与空气的对流换热；C、用二维波动方程进行模拟焊池波动；D、温度下降到焊件熔点以下后，熔池凝固形成焊缝，采用上述方案，运用二维热传导方程以及结合二维波动方程，较逼真地实时模拟出液态熔池，能够提供实时的液态熔池模拟，使焊工能够在虚拟环境中，看到液态熔池的成型，与实际情况完全吻合，切实提升焊接培训的效果。
附图说明
图1为本发明较佳实施例一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法的流程图。
图2为本发明较佳实施例一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法的焊缝几何模型图。
图3为本发明较佳实施例一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法的模型焊接区域热量分布图。
图4为本发明较佳实施例一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法的模型温度场分布图。
图5为本发明较佳实施例一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法的熔池模拟图。
图6为本发明较佳实施例一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法的熔池液面波动图。
图7为本发明较佳实施例一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法的焊接区域法线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本实施例的一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法，其特征在于，所述焊接熔池及焊缝成型模拟方法包括以下步骤：
A、通过高斯热源模型原理模拟焊枪的热源模型；
B、用热传导方程模拟焊件的导热以及与空气的对流换热；
C、用二维波动方程进行模拟焊池波动；
D、通过上述模型进行动态观察，最终焊池凝固成焊缝。
优选为，所述步骤A具体为：将焊件和焊缝模拟成整体的网格，分为焊接区域和非焊接区域，焊接区域将会映射到一个纹理空间，将模拟用到的数据都保存到2D纹理里面。
在这里需要说明的是，网格是指在有限元分析过程中所用的基本分析单元。分析中通过将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域来求得最终结果。所述的网格有多种形态，包括但不限于：三角形、四边形。
将热原模型模拟完成后，在模型上对于焊件的导热和空气对流换热通过热传导方程进行模拟，在热源模型上焊池通过二位波动方程进行模拟，最终通过在热源模型上进行观察，较逼真地实时模拟出液态熔池，能够提供实时的液态熔池模拟，使焊工能够在虚拟环境中，看到液态熔池的成型，与实际情况完全吻合，切实提升焊接培训的效果。
优选为，所述步骤B具体为：计算焊件的热量分布，将热量值保存到2D纹理，用二维热传导方程进行模拟。
优选为，所述步骤C具体为：温度超过焊件熔点时形成熔池，通过二维波动方程进行模拟，另外高温使得焊件融化，对焊接区域高度图不断进行高斯模糊，最后冷却形成焊缝，将熔池液面波动图的数据复制到焊接区域高度图里。
优选为，所述步骤D具体为：得到焊接区域高度图和焊接区域法线图后，将它们映射到网格模型的焊接区域，同时计算顶点位移和光照即可。
优选为，所述步骤B中的热传导方程具体如下：
二维热传导方程：
三维热传导方程：
其中：
T温度
k介质导热系数；c介质比热；ρ介质密度
F产生或失去的热量,跟边界条件有关。F＝0时，说明介质是绝热的。
对于上述二维热传导方程的数值解(有限差分格式)进行推导，具体如下：
代入热传导方程得：
令Δx＝Δy，得：
(方程的稳定性)
同理，对于上述三维热导方程的数值解(有限差分格式)进行推导，具体如下：
令Δx＝Δy＝Δz得：
(方程的稳定性)
在这里还需要说明的是，物体内部的温度场必然受到物体表面条件的影响。因此为了数值求解，还必须建立边界的差分方程。
边界条件分类：
第一类：给定边界温度。
第二类：给定边界热流密度。例如用打火机对某块金属的某处表面加热。
其中：
qw(t,x,y)是在介质内部或表面(x,y)处t时刻的热流密度
c介质的比热
ρ介质的密度
同理，三维的是：
还需要对热密度进行说明，热密度即单位时间内，通过物体单位横截面积上的热量。
常用的热源模型是高斯热源模型。公式如下：
其中：
Q是热源的有效功率
r是介质上任意点至热源中心的距离
σ是高斯分布系数。
第三类：给定边界的对流换热条件。
其中:
hc是换热系数
Tf是与介质接触的流体温度
同理，三维的是：
第四类：混合边界，现实里经常是第二类边界和第三类边界混合。
同理，三维的是：
前面步骤已经得到了热传导方程的显式方程，但是显式方程是有稳定条件的，我们需要的是一个无条件稳定版本的热传导方程，如下：
它的无条件稳定版本(Crank-Nicolson)如下：
令Δx＝Δy＝Δh，得：
令得：
加上第四类边界条件得：
加上第四类边界条件得：
这是一个线性方程组，为了方便理解，假设差分网格是3x3的，如下图所示：
令
……
……
这是一个线性方程组，一共是9个未知数(3×3网格)
写成矩阵的形式，如下：
同理三维隐式热传导方程如下：
它的无条件稳定版本(Crank-Nicolson)如下：
令Δx＝Δh＝Δz＝Δh得：
令得：
加上第四类边界条件得：
为了方便理解，假设差分网格是3×3×3
令
……
……
已经得到热传导方程的隐式差分格式，它是一个线性方程组，本文用雅可比迭代法来 求解，如下：
设方程组
其中：
系数矩阵A＝(aij)n×n：且|A|≠0
向量
将系数矩阵A分裂为A＝D+L+U
其中：
D＝diag(a11，a22，…，ann)
如果aii≠0(i＝1，2，…，n)，那么原方程组可化为
令得：
相应的迭代格式为
每次迭代需要进行一次矩阵与向量的乘法运算，需要说明的是对角矩阵的逆矩阵只需将对角上的元素取倒数即可。
优选为，所述C中的波动方程具体如下：
其中：
c是波速
u是粘滞系数
h是波高度。
对于上述二维波动方程的数值解(有限差分格式)进行推导，具体如下：
令Δx＝Δy＝Δk得：
令得：
。
这里需要说明的是，稳定条件如下：
稳定条件：
它的无条件稳定版本(Crank-Nicolson)如下：
令Δx＝Δy＝Δk，得：
令得：
为了方便理解，假设差分网格为3x3，如下图所示：
令
显然这是一个线性方程组，有9个未知数(3x3的差分网格)，写成矩阵的形式如下：
最后用迭代法解这个方程组即可。
一种存储装置，其特征在于，所述存储装置存储有计算机程序，所述计算机程序能够被执行以实现所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法。
一种移动终端，其特征在于，包括：处理器、与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法；
所述处理器用于调用所述存储器中的计算机程序，以执行上述所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法。
上述通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，这些详细的说明仅仅限于帮助本领域技术人员理解本发明的内容，并不能理解为对本发明保护范围的限制。本发明的保护范围以权利要求书的内容为准。
Claims (9)
1.一种焊接熔池及焊缝成型模拟方法，其特征在于，所述焊接熔池及焊缝成型模拟方法包括以下步骤：
A、通过高斯热源模型原理模拟焊枪的热源模型；
B、用热传导方程模拟焊件的导热以及与空气的对流换热；
C、用二维波动方程进行模拟焊池波动；
D、通过上述模型进行动态观察，最终焊池凝固成焊缝。
2.根据权利要求1所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法，其特征在于，所述步骤A具体为：将焊件和焊缝模拟成整体的网格，分为焊接区域和非焊接区域，焊接区域将会映射到一个纹理空间，将模拟用到的数据都保存到2D纹理里面。
3.根据权利要求1所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法，其特征在于，所述步骤B具体为：计算焊件的热量分布，将热量值保存到2D纹理，用二维热传导方程进行模拟。
4.根据权利要求1所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法，其特征在于，所述步骤C具体为：温度超过焊件熔点时形成熔池，通过二维波动方程进行模拟，另外高温使得焊件融化，对焊接区域高度图不断进行高斯模糊，最后冷却形成焊缝，将熔池液面波动图的数据复制到焊接区域高度图里。
5.根据权利要求1所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法，其特征在于，所述步骤D具体为：得到焊接区域高度图和焊接区域法线图后，将它们映射到网格模型的焊接区域，同时计算顶点位移和光照。
6.根据权利要求1所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法，其特征在于，所述步骤B中的热传导方程具体如下：
二维热传导方程：
三维热传导方程：
其中：
T温度
k介质导热系数；c介质比热；ρ介质密度
F产生或失去的热量,跟边界条件有关。F＝0时，说明介质是绝热的。
7.根据权利要求1所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法，其特征在于，所述C中的波动方程具体如下：
其中：
c是波速
u是粘滞系数
h是波高度。
8.一种存储装置，其特征在于，所述存储装置存储有计算机程序，所述计算机程序能够被执行以实现如权利要求1至7任一项所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法。
9.一种移动终端，其特征在于，包括：处理器、与所述处理器通信连接的存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法；
所述处理器用于调用所述存储器中的计算机程序，以执行上述权利要求1-7任一项所述的焊接熔池及焊缝成型模拟方法。
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|---|---|
| CN (1) | CN110096720A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102394018A (zh) * | 2011-07-18 | 2012-03-28 | 中国石油天然气第一建设公司 | 一种单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法 |
| WO2014140720A1 (en) * | 2013-03-11 | 2014-09-18 | Lincoln Global, Inc. | Systems and methods providing enhanced education and training in a virtual reality environment |
| WO2014140722A1 (en) * | 2013-03-11 | 2014-09-18 | Lincoln Global, Inc. | System and method providing combined virtual reality arc welding and three-dimensional (3d) viewing |
| CN106297493A (zh) * | 2010-05-27 | 2017-01-04 | 林肯环球股份有限公司 | 虚拟焊件的虚拟测试与检验 |
| CN106875783A (zh) * | 2017-02-28 | 2017-06-20 | 深圳市为汉科技有限公司 | 虚拟焊接系统及方法 |
-
2018
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106297493A (zh) * | 2010-05-27 | 2017-01-04 | 林肯环球股份有限公司 | 虚拟焊件的虚拟测试与检验 |
| CN102394018A (zh) * | 2011-07-18 | 2012-03-28 | 中国石油天然气第一建设公司 | 一种单面焊双面成形过程模拟与仿真的网格实现方法 |
| WO2014140720A1 (en) * | 2013-03-11 | 2014-09-18 | Lincoln Global, Inc. | Systems and methods providing enhanced education and training in a virtual reality environment |
| WO2014140722A1 (en) * | 2013-03-11 | 2014-09-18 | Lincoln Global, Inc. | System and method providing combined virtual reality arc welding and three-dimensional (3d) viewing |
| CN106875783A (zh) * | 2017-02-28 | 2017-06-20 | 深圳市为汉科技有限公司 | 虚拟焊接系统及方法 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 万晋等: "球罐焊接残余应力数值模拟分析", 《焊接学报》 * |
| 周永涛等: "低碳钢激光焊接温度场模拟", 《应用激光》 * |
| 庞铭等: "K418和42CrMo激光深熔焊焊缝形貌预测及验证", 《焊接技术》 * |
| 彭晶楠等: "MIG焊接V型熔池特性的数理模型建立", 《化工学报》 * |
| 赵朋成等: "脉冲熔化极氩弧焊熔池自由表面波动行为的数值模拟", 《青岛科技大学学报(自然科学版)》 * |
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