CN110688799A - 一种电子束焊仿真方法、装置及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电子束焊仿真方法、装置及设备，方法包括：获取待焊工件的实体几何模型，并基于预先设定的计算域进行网格划分；获取焊件的物性参数、时间步长和边界条件，并建立与边界条件对应的控制方程组；基于二次电子吸收修正电子束功率密度，基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取修正后的电子束加热热源；以电子束热源为源项，基于时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据熔池流动场获取熔池的当前形貌；基于时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束。本发明实现了电子束能量在动态匙孔壁面上的准确加载，能够对电子束焊接机理、工艺的设计及优化提供指导。

Description

一种电子束焊仿真方法、装置及设备

技术领域

本发明涉及电子束焊接技术领域，具体而言，涉及一种电子束焊仿真方法、装置及设备。

背景技术

电子束焊接属于一种先进的熔焊技术，焊接过程中通过高能电子束流作用于置于真空中的焊件，使焊件发生熔化从而实现焊接。电子束焊接由于具有焊接深度大、缺陷少、工艺重复性好及热变形量小的优点，特别适用于厚板的高质量焊接，广泛应用于航空航天、核电、国防及军工等高端制造领域。

电子束焊接过程存在复杂的物理现象，在高能电子束流的作用下，材料在非常短的时间内发生熔化、气化及凝固现象，产生熔池、小孔及金属蒸汽。在毫米级区域内存在着极高温、高速、瞬时等剧烈的物理变化。此外，电子束焊接在真空环境下进行，难以采用实验的方法对焊接过程进行焊接机理的研究。数值模拟方法能再现电子束焊接过程中复杂的物理演变过程，对于电子束焊接的机理研究，缺陷形成机制以及工艺优化具有重要潜在应用价值。因此，数值模拟在电子束焊接研究中具有重要意义。

但是，传统的电子束焊接模型过于简化，大多采用高斯体热源模型或固定小孔模型对焊接过程进行模拟，且需要根据实际的焊缝确定热源模型。现有的电子束焊仿真功率密度受二次电子吸收影响，且无法实现动态匙孔壁面上的准确加载，也就无法真实再现电子束焊接过程中的瞬态小孔熔池的动力学演变过程，无法对焊缝的形貌及尺寸进行有效预测。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种电子束焊仿真方法及装置，以改善现有技术中电子束焊仿真精度低的问题。

本发明实施例提供了一种电子束焊仿真方法，包括如下步骤：

获取待焊工件的实体几何模型，并基于预先设定的计算域进行网格划分；

获取焊件的物性参数、时间步长和边界条件，并建立与所述边界条件对应的控制方程组；

基于二次电子吸收修正电子束功率密度，基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源；

以所述电子束热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据所述熔池流动场获取熔池的当前形貌；

基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束。

优选的，所述基于二次电子吸收修正电子束功率密度，具体包括：

获取电子束横截面上的电流密度j_e分布：

其中，U_e为加速电压、I_e为电子束电流、d_e为束流直径、j_e(x,y)为电子束横截面上(x,y)点处的电流密度；

获取总吸收系数，则电子束在匙孔表面的吸收分布为：

q(x,y,Z_K)＝ε·U_ej_e，

其中，

ε＝ε_e+ε_r

ε_e＝1-k_rR，

ε_e为电子束吸收系数，ε_r为二次电子吸收系数，k_r为电子反射后的剩余能量系数，取值范围为0.45～0.50，R是材料的反射系数，Z_k是焊接匙孔深度，d_t与d_b分别为匙孔顶部与底部的直径。

优选的，所述基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源，具体包括：

在每一步温度场计算前，将电子束划分为若干子束流，获取子束流与匙孔界面的交点；

将电子束传输路径上的第一个交点作为电子束的加载位置点，记为ξ＝1，其余交点作为被遮挡的点，记为ξ＝0；

则电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源为：

Q＝q(x,y,Z_K)·ξ。

优选的，以所述电子束热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据所述熔池流动场获取熔池的当前形貌，具体为：

以所述电子束加热热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场；其中，所述控制方程组包括质量方程、动量方程和能量方程；

对所述控制方程组进行离散求解获取焊件熔池的速度及压力分布；

应用界面捕获算法对所述速度及压力分布进行追踪，以获取熔池实时的形貌。

优选的，所述计算域包括所述待焊工件和气相区域；其中，所述待焊工件包括固相区和固-液区，所述气相区域位于焊件表面上方，焊件表面将计算域划分为气相区域和待焊工件的固-液区。

所述基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束，具体为：

设定初次计算时间步长为Δt₀，后续计算时间步长为Δt_i，则计算时间为：

t_sum＝∑Δt_i，

其中，i＝1,2,3…，i表示进行第i步计算，时间步长Δt_i的在保证计算收敛的情况下取最大值；

设定计算结束时间为t_end，则

若t_sum≥t_end，则保存计算结果并结束计算；

若t_sum＜t_end，则重复步骤进行温度场和熔池流动场求解直至计算结束。

优选的，基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束之后，还包括：

采用焊接模拟软件或开源可视化程序对仿真模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理。

本发明实施例还提供了一种电子束焊仿真装置，包括：

模型获取单元，用于获取待焊工件的实体几何模型，并基于预先设定的计算域进行网格划分；

控制量设置单元，用于获取焊件的物性参数、时间步长和边界条件，并建立与所述边界条件对应的控制方程组

修正单元，用于基于二次电子吸收修正电子束功率密度，基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源；

温度场和熔池形貌获取单元，用于以所述电子束热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据所述熔池流动场获取熔池的当前形貌；

时间步循环单元，用于基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束。

优选的，所述温度场和熔池形貌获取单元，具体包括：

温度场获取模块，用于以所述电子束加热热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场；其中，所述控制方程组包括质量方程、动量方程和能量方程；

熔池流动场获取模块，用于对所述控制方程组进行离散求解获取焊件熔池的速度及压力分布；

实时形貌获取模块，用于应用界面捕获算法对所述速度及压力分布进行追踪，以获取熔池实时的形貌。

本发明实施例还提供了一种电子束焊仿真设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如上所述的电子束焊仿真方法。

本发明实施例的有益效果如下：

(1)本发明通过采用采用与材料种类和匙孔形貌相关的二次电子吸收系数，修正了电子束功率密度的分布；采用基于传输路径的热源加载方式确定电子束的能量加载位置，实现了电子束能量在动态匙孔壁面上的准确加载，能够获得真实的电子束焊接过程，有利于对电子束焊接机理的研究，并能为工艺的设计及优化提供指导。

(2)本发明提供的电子束焊仿真方法能够适用于不同材料，不同工艺参数的模拟，相比现有的高斯热源模型和固定匙孔模型，其热源无需焊缝尺寸参数，可以直接预测电子束焊接的焊缝形貌和尺寸。

(3)本发明具有很好的可拓展性和易实施性，业内人员可很方便的在商业软件和自行程序编写中实现，并可很方便的拓展到电子束增材以及其他电子束制造领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的电子束焊仿真方法的流程示意图。

图2为本发明第一实施例中电子束焊接过程的示意图。

图3为本发明第一实施例中基于传输路径的电子束吸收过程的示意图。

图4为本发明第一实施例中电子束焊仿真结果的示意图。

图5为本发明第二实施例中电子束焊仿真装置的结构示意图。

图标：201-模型获取单元；202-控制量设置单元；203-处理器；203-修正单元；204-温度场和熔池形貌获取单元；205-时间步循环单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

实施例中提及的“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

如图1所示，本发明第一实施例提供了一种电子束焊仿真方法，可由电子束焊仿真设备来执行，具体的，可由该设备内一个或多个处理器来执行，至少包括如下步骤：

S101，获取待焊工件的实体几何模型，并基于预先设定的计算域进行网格划分。

在本实施例中，有限元模型的建立可采用实体建模方式：首先，根据待焊工件的实测尺寸，利用三维绘图软件建立待焊工件的实体几何模型。然后，根据仿真精度要求、计算效率和实体模型的尺寸特别是最小型面的尺寸确定合适的网格密度，利用网格划分软件对所述实体几何模型进行网格划分。

其中，在网格划分时，可预先设定计算域，对计算域进行四面体或六面体网格划分。所述计算域是指仿真过程中为真实再现电子束焊接过程所涉及的计算区域。当计算域太大时，增加了网格节点、单元以及对仿真设备的运行要求，通过设置有限大小的计算域可以大大减少计算量。

请参阅图2，在本实施例中，所述计算域包括所述待焊工件和气相区域。其中，所述待焊工件包括固相区和固-液区，所述气相区域位于焊件表面上方一定高度，从而在计算过程中能考虑到熔池界面的运动；焊件表面将计算域划分为气相区域和待焊工件的固-液区。

S102，获取焊件的物性参数、时间步长和边界条件，并建立与所述边界条件对应的控制方程组。

其中，所述焊件的物性参数包括焊件初始温度、焊件初始速度、焊件材料种类及相应材料的物性参数等；所述边界条件包括压力、速度和温度边界；所述控制方程组包括质量方程、动量方程和能量守恒方程等。

S103，基于二次电子吸收修正电子束功率密度，基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源。

在本实施例中，所述基于二次电子吸收修正电子束功率密度，具体包括：

S1031，获取电子束横截面上的电流密度；

假设电子束流呈高斯分布，则电子束横截面上的电流密度j_e分布如下：

其中，U_e为加速电压、I_e为电子束电流、d_e为束流直径、j_e(x,y)为电子束横截面上(x,y)点处的电流密度。

S1032，获取总吸收系数，则电子束在匙孔表面的吸收分布为：

则电子束在匙孔表面的吸收分布如下：

q(x,y,Z_K)＝ε·U_ej_e，

其中，

ε＝ε_e+ε_r

ε_e＝1-k_rR，

式中，ε_e为电子束吸收系数，ε_r为二次电子吸收系数，k_r为电子反射后的剩余能量系数，取值范围为0.45～0.50，R是材料的反射系数，Z_k是焊接匙孔深度，d_t与d_b分别为匙孔顶部与底部的直径。所述总吸收系数为电子束吸收系数与二次电子吸收系数之和，即电子束的能量吸收分布除由电子束的基本参数决定外，还与匙孔深度(Z_k)和焊件材料的反射系数(R)相关。

在本实施例中，考虑到电子束焊过程中电子束流中的电子撞击到匙孔壁面上，会发生反射和吸收，反射的电子会作为二次电子被进一步吸收，电子束的功率密度存在再分配现象，影响功率密度分布，进而影响动态匙孔壁面上的准确加载。因而，采用与材料种类和匙孔形貌相关的总吸收系数修正电子束功率密度。其中，所述匙孔为焊接过程中电子束作用于焊件所产生的小孔。

在本实施例中，所述基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源，具体包括：

S1033，在每一步温度场计算前，将电子束划分为若干子束流，获取子束流与匙孔界面的交点；

S1034，将电子束传输路径上的第一个交点作为电子束的加载位置点，记为ξ＝1，其余交点作为被遮挡的点，记为ξ＝0；

则电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源为：

Q＝q(x,y,Z_K)·ξ。

在本实施例中，由于电子束焊接过程中电子束仅能加热被电子束流直接轰击的匙孔表面，而不能加热在电子束传输路径上的被遮挡的匙孔表面，因此用电子束传输路径修正电子束加热热源。请参阅图3，电子束的每一子束流与匙孔界面都可能有多个交点，仅将在电子束传输路径上的第一个交点作为该子束流的加热位置点，记为ξ＝1，而其余交点作为被遮挡的点，而不能被电子束加热，记为ξ＝0。

S104，以所述电子束热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据所述熔池流动场获取熔池的当前形貌，具体包括如下步骤：

S1041，以所述电子束加热热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场；其中，所述控制方程组包括质量方程、动量方程和能量方程。

S1042，对所述控制方程组进行离散求解获取焊件熔池的速度及压力分布。

S1043，应用界面捕获算法对所述速度及压力分布进行追踪，以获取熔池实时的形貌。

在一种具体的实施方式中，可采用有限差分方法或有限体积法对所述控制方程组进行求解获取焊件温度场和熔池的速度及压力分布。具体的，采用有限差分方法或有限体积法，通过对能量方程进行离散，并以所述电子束加热热源为源项，以温度边界为边界条件获取焊件温度场。然后通过对质量方程和动量方程进行离散求解获取焊件熔池的速度及压力分布。其中，对流项可采用二阶上风格式，扩散项可采用二阶中心差分格式。

在本实施例中，采用界面捕获算法追踪熔池的实时形貌，以获取电子束焊接中瞬态熔池、匙孔的动力学行为。所述界面捕获算法可以是Level Set、VOF，也可以采用其他界面捕获算法，本发明不做具体限定。

S105，基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束。

在本实施例中，设定初次计算时间步长为Δt₀，后续计算时间步长为Δt_i，则计算时间为：

t_sum＝∑Δt_i，

其中，i＝1,2,3…，i表示进行第i步计算，时间步长Δt_i的在保证计算收敛的情况下取最大值；

设定计算结束时间为t_end，则

若t_sum≥t_end，则保存计算结果并结束计算；

若t_sum＜t_end，则重复步骤进行温度场和熔池流动场求解直至计算结束。

在本实施例中，每一步温度场和悍池流动场计算结束之后进行计算时间的累加并与预设的计算结束时间进行对比，直至计算时间大于或等于预设的计算结束时间时结束计算。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束之后，还包括：

采用焊接模拟软件或开源可视化程序对仿真模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理。

请参阅图4，在本实施例中，在温度场和熔池流动场计算计算结束后，可以采用焊接模拟软件例如Inteweld，或者开源可视化程序如Paraview等对模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理。具体的，可以采用C++语言编写相应的物理场求解器，采用VTK和QT平台进行可视化界面开发，进而对计算得到的温度场、位移场、应变场和应力场进行可视化分析，研究判断仿真结果的好坏，提取各项指标如最大变形量，进行工艺优化等问题的分析。

为了便于理解，下面以TC4钛合金焊件为例进行具体说明。

首先，焊接模拟软件采用Inteweld。在步骤S101中，首先利用UG软件建立TC4钛合金焊件的实体几何模型，其中，实体几何模型为长方体，长8mm、宽4mm、高9mm。设定计算区域为长方体，长和宽与所述实体几何模型一致，高度为12mm，然后利用hypermesh在所述计算区域内进行网格划分。

在步骤S102中，初始化计算区域的温度为室温，压力为标准大气压，速度为零，获取TC4钛合金的物性参数。获取时间步长Δ_t0＝1×10^-6s，后续计算时间步长为Δt_i，其中，i＝1,2,3…，表示进行第i步计算。其中，时间步长的设置原则为保证计算收敛的情况下取最大值。设定待焊工件表面的边界条件，包括设定压力、速度和温度边界，以及建立包含质量、动量和能量守恒的所述边界条件的控制方程组。

在步骤103中，获取电子束的热源参数，包括：加速电压U_e＝110kV，和电子束电流I_e＝10mA，束流直径d_e＝0.26mm。假设电子束电流呈高斯分布，电子束横截面上的电流密度j_e分布具体为：

式中，j_e(x,y)为电子束横截面上(x,y)点处的电流密度。

获取总吸收系数，则电子束在匙孔表面的吸收分布为：

q(x,y,Z_K)＝ε·U_ej_e，

其中，

ε＝ε_e+ε_r

ε_e＝1-k_rR，

式中，ε_e为电子束吸收系数，ε_r为二次电子吸收系数，k_r为电子反射后的剩余能量系数，取值范围为0.45～0.50，R是材料的反射系数，Z_k是焊接匙孔深度，d_t与d_b分别为匙孔顶部与底部的直径。对于TC4钛合金取R＝0.6。

如图3所示，将电子束划分为500个子束流，然后判断子束流与匙孔界面的交点，将在电子束传输路径上的第一个交点作为该子束流的加热位置点，记为ξ＝1，其余交点记为ξ＝0，得到电子束在匙孔表面的加热热源：

Q＝q(x,y,Z_K)·ξ。

在步骤S104中，采用有限差分方法对步骤S4中所述的动量和质量方程进行离散，并采用Projection对动量、质量守恒方程组进行求解，获得焊件熔池的速度及压力分布，焊接熔池速度分布，采用业内广泛采用的Level Set(水平集)方法更新焊接熔池的表面，获得熔池及匙孔实时的形貌。

在步骤S105中，设定计算的总时间t_sum＝∑Δt_i，计算结束时间为t_end＝2s。则，若t_sum≥t_end，则保存计算结果并结束计算；若t_sum＜t_end，则重复步骤S102-S104直至计算结束。

综上，本发明通过采用与材料种类和匙孔形貌相关的二次电子吸收系数，修正了电子束功率密度的分布；采用基于传输路径的热源加载方式确定电子束的能量加载位置，实现了电子束能量在动态匙孔壁面上的准确加载，能够获得真实的电子束焊接过程，有利于对电子束焊接机理的研究，并能为工艺的设计及优化提供指导。本发明能够适用于不同材料，不同工艺参数的模拟，相比现有的高斯热源模型和固定匙孔模型，其热源无需焊缝尺寸参数，可以直接预测电子束焊接的焊缝形貌和尺寸。且本发明具有很好的可拓展性和易实施性，业内人员可很方便的在商业软件和自行程序编写中实现，并可很方便的拓展到电子束增材以及其他电子束制造领域。

请参阅图5，本发明第二实施例提供了一种电子束焊仿真装置，包括：

模型获取单元201，用于获取待焊工件的实体几何模型，并基于预先设定的计算域进行网格划分；

控制量设置单元202，用于获取焊件的物性参数、时间步长和边界条件，并建立与所述边界条件对应的控制方程组；

修正单元203，用于基于二次电子吸收修正电子束功率密度，基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源；

温度场和熔池形貌获取单元204，用于以所述电子束热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据所述熔池流动场获取熔池的当前形貌；

时间步循环单元205，用于基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束。

优选的，所述修正单元203，包括：

电流密度获取模块，用于获取电子束横截面上的电流密度j_e分布：

其中，U_e为加速电压、I_e为电子束电流、d_e为束流直径、j_e(x,y)为电子束横截面上(x,y)点处的电流密度；

吸收分布获取模块，用于获取总吸收系数，则电子束在匙孔表面的吸收分布为：

q(x,y,Z_K)＝ε·U_ej_e，

其中，

ε＝ε_e+ε_r

ε_e＝1-k_rR，

ε_e为电子束吸收系数，ε_r为二次电子吸收系数，k_r为电子反射后的剩余能量系数，取值范围为0.45～0.50，R是材料的反射系数，Z_k是焊接匙孔深度，d_t与d_b分别为匙孔顶部与底部的直径。

优选的，所述修正单元203，还包括：

交点获取模块，用于在每一步温度场计算前，将电子束划分为若干子束流，获取子束流与匙孔界面的交点；

加热热源修正模块，用于将电子束传输路径上的第一个交点作为电子束的加载位置点，记为ξ＝1，其余交点作为被遮挡的点，记为ξ＝0；

则电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源为：

Q＝q(x,y,Z_K)·ξ。

优选的，温度场和熔池形貌获取单元204，具体包括：

温度场获取模块，用于以所述电子束加热热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场；其中，所述控制方程组包括质量方程、动量方程和能量方程；

熔池流动场获取模块，用于对所述控制方程组进行离散求解获取焊件熔池的速度及压力分布；

实时形貌获取模块，用于应用界面捕获算法对所述速度及压力分布进行追踪，以获取熔池实时的形貌。

优选的，所述计算域包括所述待焊工件和气相区域；其中，所述待焊工件包括固相区和固-液区，所述气相区域位于焊件表面上方，焊件表面将计算域划分为气相区域和待焊工件的固-液区。

优选的，所述时间步循环单元205，具体包括：

计算时间获取模块，用于设定初次计算时间步长为Δt₀，后续计算时间步长为Δt_i，则计算时间为：

t_sum＝∑Δt_i，

其中，i＝1,2,3…，i表示进行第i步计算，时间步长Δt_i的在保证计算收敛的情况下取最大值；

循环求解模块，用于设定计算结束时间为t_end，则

若t_sum≥t_end，则保存计算结果并结束计算；

若t_sum＜t_end，则重复步骤进行温度场和熔池流动场求解直至计算结束。

优选的，基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束之后，还包括：

可视化处理单元，用于采用焊接模拟软件或开源可视化程序对仿真模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理。

本发明第三实施例提供了一种电子束焊仿真设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如上所述的电子束焊仿真方法。

示例性地，本发明所述的计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述实现设备中的执行过程。例如，本发明第二实施例中所述的装置。

所称处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)、专用集成电路(APPlication Specific IntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述打印方法的控制中心，利用各种接口和线路连接整个所述实现文档打印方法的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现打印方法的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、文字转换功能等)等；存储数据区可存储根据用户终端的使用所创建的数据(比如音频数据、文字消息数据等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card,SMC)、安全数字(Secure Digital,SD)卡、闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

其中，所述实现用户终端的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种电子束焊仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取待焊工件的实体几何模型，并基于预先设定的计算域进行网格划分；

获取焊件的物性参数、时间步长和边界条件，并建立与所述边界条件对应的控制方程组；

基于二次电子吸收修正电子束功率密度，基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源；

以所述电子束热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据所述熔池流动场获取熔池的当前形貌；

基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束。

2.根据权利要求1所述的电子束焊仿真方法，其特征在于，所述基于二次电子吸收修正电子束功率密度，具体包括：

获取电子束横截面上的电流密度j_e分布：

其中，U_e为加速电压、I_e为电子束电流、d_e为束流直径、j_e(x,y)为电子束横截面上(x,y)点处的电流密度；

获取总吸收系数，则电子束在匙孔表面的吸收分布为：

q(x,y,Z_K)＝ε·U_ej_e，

其中，

ε＝ε_e+ε_r

ε_e＝1-k_rR，

ε_e为电子束吸收系数，ε_r为二次电子吸收系数，k_r为电子反射后的剩余能量系数，取值范围为0.45～0.50，R是材料的反射系数，Z_k是焊接匙孔深度，d_t与d_b分别为匙孔顶部与底部的直径。

3.根据权利要求1所述的电子束焊仿真方法，其特征在于，所述基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源，具体包括：

在每一步温度场计算前，将电子束划分为若干子束流，获取子束流与匙孔界面的交点；

将电子束传输路径上的第一个交点作为电子束的加载位置点，记为ξ＝1，其余交点作为被遮挡的点，记为ξ＝0；

则电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源为：

Q＝q(x,y,Z_K)·ξ。

4.根据权利要求1所述的电子束焊仿真方法，其特征在于，以所述电子束热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据所述熔池流动场获取熔池的当前形貌，具体为：

以所述电子束加热热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场；其中，所述控制方程组包括质量方程、动量方程和能量方程；

对所述控制方程组进行离散求解获取焊件熔池的速度及压力分布；

应用界面捕获算法对所述速度及压力分布进行追踪，以获取熔池实时的形貌。

5.根据权利要求1所述的电子束焊仿真方法，其特征在于，所述计算域包括所述待焊工件和气相区域；其中，所述待焊工件包括固相区和固-液区，所述气相区域位于焊件表面上方，焊件表面将计算域划分为气相区域和待焊工件的固-液区。

6.根据权利要求3所述的电子束焊仿真方法，其特征在于，所述基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束，具体为：

设定初次计算时间步长为Δt₀，后续计算时间步长为Δt_i，则计算时间为：

t_sum＝∑Δt_i，

其中，i＝1,2,3…，i表示进行第i步计算，时间步长Δt_i的在保证计算收敛的情况下取最大值；

设定计算结束时间为t_end，则

若t_sum≥t_end，则保存计算结果并结束计算；

若t_sum＜t_end，则重复步骤进行温度场和熔池流动场求解直至计算结束。

7.根据权利要求3所述的电子束焊仿真方法，其特征在于，基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束之后，还包括：

采用焊接模拟软件或开源可视化程序对仿真模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理。

8.一种电子束焊仿真装置，其特征在于，包括：

模型获取单元，用于获取待焊工件的实体几何模型，并基于预先设定的计算域进行网格划分；

控制量设置单元，用于获取焊件的物性参数、时间步长和边界条件，并建立与所述边界条件对应的控制方程组

修正单元，用于基于二次电子吸收修正电子束功率密度，基于电子束传输路径确定电子束的能量加载位置，以获取电子束传输路径和二次电子吸收修正后的电子束加热热源；

温度场和熔池形貌获取单元，用于以所述电子束热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场和焊件熔池流动场，并根据所述熔池流动场获取熔池的当前形貌；

时间步循环单元，用于基于所述时间步长更新计算时间，重复进行温度场和熔池流动场求解，直至计算结束。

9.根据权利要求8所述的电子束焊仿真装置，其特征在于，所述温度场和熔池形貌获取单元，具体包括：

温度场获取模块，用于以所述电子束加热热源为源项，基于所述时间步长、边界条件和控制方程组获取焊件温度场；其中，所述控制方程组包括质量方程、动量方程和能量方程；

熔池流动场获取模块，用于对所述控制方程组进行离散求解获取焊件熔池的速度及压力分布；

实时形貌获取模块，用于应用界面捕获算法对所述速度及压力分布进行追踪，以获取熔池实时的形貌。

10.一种电子束焊仿真设备，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器内的计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行以实现如权利要求1至7任意一项所述的电子束焊仿真方法。

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