CN111283307A - 一种仿真焊接的方法、装置、终端设备及存储介质 - Google Patents

一种仿真焊接的方法、装置、终端设备及存储介质 Download PDF

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CN111283307A CN201811486473.1A CN201811486473A CN111283307A CN 111283307 A CN111283307 A CN 111283307A CN 201811486473 A CN201811486473 A CN 201811486473A CN 111283307 A CN111283307 A CN 111283307A
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Abstract

本发明公开了一种仿真焊接的方法、装置、终端设备及存储介质。所述方法包括：获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。利用该方法能够快速准确的得到焊接后的预测位移量和预测残余应力，以实现了对仿真焊接结果的预测。

Description

一种仿真焊接的方法、装置、终端设备及存储介质
技术领域
本发明实施例涉及焊接技术领域，尤其涉及一种仿真焊接的方法、装置、终端设备及存储介质。
背景技术
焊接工艺广泛用于大型金属结构成型中，而焊接残余应力和焊接变形作为焊接过程的固有产物，对结构服役性能和安全性有着重要的影响。
随着计算机性能的提高和有限元技术的成熟，数值模拟已经成为研究焊接残余应力和焊接变形非常方便有效的工具。在焊接仿真分析中，影响变形和残余应力准确度主要有两个方面：一方面，由于实际焊接过程中外界影响因素过多，仿真分析中不可能详尽地考虑，但忽略这些因素又将导致数值计算精度的下降；另一方面，在焊缝处及附近区域，焊接过程中发生着极其复杂的物理化学冶金变化，且多个因素互相耦合，仿真分析中考虑这些因素及其之间的耦合，不仅繁琐，而且计算效率将大大降低。故如何准确高效确定焊接过程中产生的焊接变形和残余应力是亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种仿真焊接的方法、装置、终端设备及存储介质，能够快速准确的对仿真焊接效果进行确定。
第一方面，本发明实施例提供了一种仿真焊接的方法，包括：
获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；
根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；
用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。
第二方面，本发明实施例还提供了一种仿真焊接的装置，包括：
参数获取模块，用于获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；
热源确定模块，用于根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；
检测模块，用于用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。
第三方面，本发明实施例还提供了一种终端设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现本发明实施例提供的仿真焊接的方法。
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明实施例提供的仿真焊接的方法。
本发明实施例提供了一种仿真焊接的方法、装置、终端设备及存储介质，首先获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；然后根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；最后用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。利用上述技术方案能够通过采用等效热源对待预测结构件对应的构件模型进行仿真焊接，无需考虑焊接过程中的外界影响因素和焊接过程中的物理化学冶金变化，从而快速准确的得到仿真焊接后的预测位移量和预测残余应力，以实现了对仿真焊接的效果的预测。根据仿真焊接和真实焊接的对应，基于仿真焊接的效果能够推导得到反映在实际焊接过程中的焊接效果。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种仿真焊接的方法的流程示意图；
图2为本发明实施例二提供的一种仿真焊接的方法的流程示意图；
图3a为本发明实施例三提供的一种仿真焊接的方法的流程示意图；
图3b示出了本发明实施例三提供的对接焊平板示意图；
图3c示出了本发明实施例三提供的坡口尺寸示意图；
图3d示出了本发明实施例三提供的仿真模型示意图；
图3e示出了本发明实施例三提供的随温度变化的热物理参数；
图3f示出了本发明实施例三提供的随温度变化的力学性能；
图3g示出了等效热源参数反演的流程图；
图3h示出了本发明实施例三提供的误差评价函数与生热率的拟合曲线示意图；
图4为本发明实施例四提供的一种仿真焊接的装置的结构示意图；
图5为本发明实施例五提供的一种终端设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作(或步骤)描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种仿真焊接的方法的流程示意图，该方法可适用于预测仿真焊接效果的情况，具体地，该方法可适用于通过仿真焊接准确预测焊接变形和残余应力的情况。该方法可以由仿真焊接的装置来执行，其中该装置可由软件和/或硬件实现，并一般集成在终端设备上，在本实施例中终端设备包括但不限于：笔记本电脑、平板电脑和服务器等设备。
如图1所示，本发明实施例一提供的一种仿真焊接的方法，包括如下步骤：
S101、获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数。
在本实施例中，仿真软件可以理解为能够进行仿真焊接的软件。构件模型可以理解为待预测结构件对应的仿真模型。材料参数可以理解为待预测结构件的材料属性。焊接的环境参数可以理解为待预测结构件焊接时的环境情况，如湿度、温度等。焊接工艺参数可以理解为待预测结构件的焊接方式，如焊接顺序、焊接形状等。本实施例通过仿真焊接能够对待预测结构件进行焊接效果的预测。
在对待预测结构件进行仿真焊接以对其焊接效果进行预测时，本步骤可以首先基于待预测结构件选取对应的构建模型，然后获取构建模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数，以基于获取的各参数选取对应的热源进行仿真焊接。
可以理解的是，在进行仿真焊接前，本实施例中可以保存有不同材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数对应的等效热源参数。基于该等效热源参数选取适当的热源模型，可以用于同样材料、环境和焊接工艺参数下的焊接变形和残余应力的预测。在进行大型焊接构件的焊接前，可以获得对应的等效热源参数，进而用于大型构件的焊接变形和残余应力的预测。
S102、根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数。
在本实施例中，实际焊接中可以将外界环境参数和构件变化参数用热源进行等效。等效热源能够等效外部环境参数和构件变化参数对待预测结构件造成的影响。外界环境参数可以理解为待预测结构件实际焊接过程中外界环境的影响因素。构件变化参数可以理解为待预测结构件在实际焊接过程中产生的化学冶金物理变化。
在焊接工艺中，残余应力和焊接变形为焊接过程中的固有产物。焊接过程中的焊接顺序对残余应力的大小和分布有着显著的影响，而且一定程度上影响变形的模式。如果在焊接过程中，采用一定的方法，例如采用合理的焊接顺序，降低焊接件中的残余应力，并能提前预测残余应力的分布和容易发生应力腐蚀开裂的区域，就能提前做出相应的预防措施，提高结构寿命。本实施例在对待预测结构件进行焊接预测时，限定了焊接工艺参数，如，可以使等效热源的焊接工艺参数与待预测结构件的焊接工艺参数相同。
本实施例中可以将外界因素对焊接变形和残余应力的影响、焊缝及附近区域复杂的物理化学冶金过程导致的焊接变形和残余应力，通过等效热源的形式进行考虑。在对构件模型进行仿真焊接前，本步骤可以基于选取与待预测构件处于同样材料参数、环境参数和焊接工艺参数的等效热源来对构件模型进行仿真效果的预测，如焊接变形和残余应力的预测。
需要注意的是，本步骤确定的等效热源参数可以为预先通过实验确定的，也可以为获取材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数后直接进行确定的。
S103、用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。
在本实施例中，焊接后构件模型可以理解为用等效热源在构件模型上仿真焊接后的模型。预测位移量可以理解为用等效热源进行仿真焊接后获得的位移量。预测位移量可以反映焊接变形的程度。预测残余应力可以理解为用等效热源进行仿真焊接后获得的残余应力。
在确定出等效热源后，本步骤可以用该等效热源在构件模型上进行仿真焊接。仿真焊接后本步骤可以检测焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。通过对预测位移量和预测残余应力进行分析，能够确定待预测结构件的焊接效果。
本发明实施例一提供的一种仿真焊接的方法，首先获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；然后根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；最后用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。利用上述方法能够通过采用等效热源对待预测结构件对应的构件模型进行仿真焊接，无需考虑焊接过程中的外界影响因素和焊接过程中的物理化学冶金变化，从而快速准确的得到仿真焊接后的预测位移量和预测残余应力，以实现了对仿真焊接的效果的预测。根据仿真焊接和真实焊接的对应，基于仿真焊接的效果能够推导得到反映在实际焊接过程中的焊接效果。
实施例二
图2为本发明实施例二提供的一种仿真焊接的方法的流程示意图，本实施例二在上述各实施例的基础上进行优化。在本实施例中，将根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，进一步具体化为：根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数，对待焊接构件进行实际焊接，得到实际位移量和实际残余应力，以及对所述待焊接构件的仿真模型仿真焊接，得到仿真位移量和仿真残余应力；根据误差评价函数、所述实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力，得到吻合度曲线；根据所述吻合度曲线确定等效热源参数。本实施例尚未详尽的内容请参考实施例一。
如图2所示，本发明实施例二提供的一种仿真焊接的方法，包括如下步骤：
S201、获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数。
S202、根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数，对待焊接构件进行实际焊接，得到实际位移量和实际残余应力，以及对所述待焊接构件的仿真模型仿真焊接，得到仿真位移量和仿真残余应力。
在本实施例中，待焊接构件可以理解为从待预测结构件中获取的较简单的构件或基于待预测结构件选取的简单的构件，以进行简单焊接件的焊接实验。实际焊接可以理解为在实际环境中进行焊接。实际位移量可以理解为实际焊接后待焊接构件的位移量。实际残余应力可以理解为实际焊接后待焊接构件的残余应力。仿真模型可以理解为基于待焊接构件在仿真软件中构建的模型。仿真焊接可以理解为在仿真软件中进行焊接。仿真位移量可以理解为仿真焊接后仿真模型的位移量。仿真残余应力可以理解为仿真焊接后仿真模型的残余应力。
本实施例在获取材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数后，可以直接基于获得的各参数确定对应的等效热源。首先，本步骤基于获取的材料参数、环境参数和焊接工艺参数，对待焊接构件进行实际焊接得到实际位移量和实际残余应力，对待焊接构件的仿真模型进行仿真焊接，得到仿真位移量和仿真残余应力，以通过对比实际焊接过程中的位移量和残余应力与仿真过程中的位移量和残余应力，选取适合的等效热源。
需要注意的是，实际焊接后，获取实际位移量和实际残余应力的手段不作限定。如，可以采用3D坐标测量仪或数字图像相关法测得位移量；采用X射线衍射法或钻孔法测得残余应力。仿真焊接后，本步骤可以直接获取与实际焊接对应测点处的仿真位移量和仿真残余应力，以便于进行比对。
在进行大型焊接构件(即待预测结构件)的焊接前，可以通过一个简单焊接件的焊接实验，获取对应的等效热源参数，进而用于大型焊接构件的焊接变形和残余应力的预测。此方法适用于各种焊接方式和热源模型。
S203、根据误差评价函数、所述实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力，得到吻合度曲线。
在本实施例中，误差评价函数可以理解为用于评估热源参数选取是否合理的评价函数。吻合度曲线可以理解为基于实际测量结果(实际位移量和实际残余应力)和仿真测量结果(仿真位移量和仿真残余应力)的误差量绘制的曲线。
其中，误差评价函数RSME表达式为：
Figure BDA0001894604720000061
其中，Si和Mi分别为测点i处的计算和实验所得的位移量或残余应力，n为测点总数。测点可以理解为测量位移量或残余应力的检测点。Si可以表示仿真焊接计算获得的位移量或残余应力；Mi可以表示实际焊接实验获得的位移量或残余应力。在确定RSME值时，可以将位移量和残余应力的数值不作区分，直接代入误差评价函数进行计算。如，获得五个实际位移量、五个实际残余应力、五个仿真位移量和五个仿真残余应力，则直接将对应测点处的数值代入误差评价函数，基于这十组数据得到对应的RSME值。
在获取实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力后，本步骤可以对其进行分析，以便于确定对应的等效热源。
具体地，在实际焊接试验时，可以在不同测点处测得一组实际位移量和实际残余应力。在仿真焊接试验时，通过选取不同的仿真热源参数确定出不同组数的仿真位移量和仿真残余应力。从而可以分别将不同组的仿真位移量和仿真残余应力及实际位移量和实际残余应力代入误差评价函数，确定出不同仿真热源参数对应的RSME值，即评价值。然后基于各评价值确定吻合度曲线以得到等效热源。
S204、根据所述吻合度曲线确定等效热源参数。
在得到吻合度曲线后，本步骤可以对该吻合度曲线进行分析，基于该吻合度曲线选取出等效热源参数。如，本步骤可以选取吻合度曲线中最小的RSME值对应的仿真热源参数作为等效热源参数。
S205、根据所述等效热源参数确定对应的等效热源。
焊接结构的温度场主要由焊接热源所决定。焊接热源的选择对相变、热应变、热应力、变形和残余应力都有重要的影响，因此，要准确预测和分析焊接结构的行为，热源模型的选取至关重要。本实施例采用分段移动均匀体热源，不仅可以较好的反映熔池深度及厚度方向的温度梯度，而且可以大大提高计算效率。同时与双椭球热源相比，形式更加简单，热源参数更少，即所需要反演的参数更少，更符合工程需要。采用分段移动均匀体热源，每段焊缝内任意一点的生热率为：
Figure BDA0001894604720000071
其中，U为焊接电压，I为焊接电流，η为焊接热效率，V为热源作用体积，即各段焊缝的体积。
S206、用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。
本发明实施例二提供的一种仿真焊接的方法，具体化了确定等效热源的操作。利用该方法能够通过对实际焊接和仿真焊接的结果进行分析确定出等效热源，从而基于确定出的等效热源快速准确的进行仿真焊接结果的预测。
实施例三
图3a为本发明实施例三提供的一种仿真焊接的方法的流程示意图，本实施例三在上述各实施例的基础上将根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源的操作进一步进行优化。在本实施例中，将根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数，对待焊接构件进行实际焊接，得到实际位移量和实际残余应力，进一步具体化为：根据所述材料参数选取对应的待焊接构件；在所述环境参数对应的环境下，对所述待焊接构件进行与所述焊接工艺参数对应的焊接；采用数字图像相关法确定焊接后构件预设变形位置处的实际位移量；采用钻孔法确定焊接后构件预设应力位置处的实际残余应力。
进一步地，本实施例将对所述待焊接构件的仿真模型仿真焊接，得到仿真位移量和仿真残余应力，进一步具体化为：在预设范围内选取仿真热源参数；
用选取后的仿真热源参数对应的热源在所述待焊接件的仿真模型上仿真焊接，并检测得到焊接后仿真模型在预设变形位置处的仿真位移量和在预设应力位置处的仿真残余应力，继续在预设范围内选取仿真热源参数，直至确定出预设数量的仿真位移量和仿真残余应力。
进一步地，本实施例将根据误差评价函数、所述实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力，得到吻合度曲线，进一步具体化为：将所述实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力代入误差评价函数，得到预设数量的评价值；对所述评价值进行插值拟合，得到吻合度曲线，所述吻合度曲线的自变量为仿真热源参数，因变量为对应的评价值。
进一步地，本实施例将根据所述吻合度曲线确定等效热源参数，进一步具体化为：将所述吻合度曲线中最小评价值对应的仿真热源参数确定为等效热源参数。本实施例尚未详尽的内容请参考实施例一和实施例二。
本实施例具体展开了根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源的具体技术手段，属于焊接数值模拟领域，该技术手段可以认为是准确预测焊接变形和残余应力的最优热源参数的实验与数值杂交反演方法。具体地，如图3a所示，本发明实施例三提供的一种仿真焊接的方法，包括如下步骤：
S301、根据所述材料参数选取对应的待焊接构件。
在根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数，对待焊接构件进行实际焊接，得到实际位移量和实际残余应力时，本实施例可以首先根据材料参数选取对应材料属性的待焊接构件。待焊接构件可以从待预测结构件中选取，也可以随机选取与待预测结构件材料相同的简单构件。本实施例根据选取的待焊接构件可以进行实际焊接测试，以得到实际位移量和实际残余应力。
S302、在所述环境参数对应的环境下，对所述待焊接构件进行与所述焊接工艺参数对应的焊接。
在选取出待焊接构件后，本步骤可以与环境参数满足预设条件的环境下，对待焊接构件进行与焊接工艺参数相同的工艺进行焊接。其中，预设条件不作限定，只要保证实际焊接的环境与待预测结构件的焊接环境相似或相同即可。
本实施例中，对待焊接构件进行实际焊接时，保证了与待预测结构件同样或相似的材料、环境及焊接工艺，以能够使得获得的等效热源能够更加准确的等效外界影响因素和焊接过程中的物理化学冶金变化。
S303、采用数字图像相关法确定焊接后构件预设变形位置处的实际位移量。
在本实施例中，焊接后构件可以理解为对待焊接构件进行实际焊接后的构件。预设变形位置可以理解为待焊接构件中预设的检测焊接变形的位置。本步骤可以采集预设变形位置处的至少两个测点的实际位移量。其中预设变形位置不作限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行确定。
在对待焊接构件进行实际焊接后，本步骤可以采集实际焊接后构件在预设变形位置处的实际位移量。具体地，本步骤可以采用数字图像相关法测得实际位移量。数字图像相关技术(DIC)利用双目立体视觉技术，通过追踪物体表面的散斑图像，实现变形过程中物体表面的三维坐标、位移及应变的测量。
S304、采用钻孔法确定焊接后构件预设应力位置处的实际残余应力。
在本实施例中，预测应力位置可以理解为待焊接构件中预先设定的残余应力分布的位置。本步骤可以采集预设应力位置处的至少两个测点的实际残余应力。其中，预设应力位置不作限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行确定。
在对待焊接构件进行实际焊接后，本步骤可以采集实际焊接后构件的实际残余应力。具体地，本步骤可以采用钻孔法确定预设应力位置处测点的实际残余应力。
需要注意的是，获取实际位移量和实际残余应力的执行顺序不作限定，即S303和S304的执行顺序不作限定。本实施例中可以同时测得实际位移量和实际残余应力；也可以先测得实际位移量，再确定实际残余应力；还可以先确定实际残余应力，再确定实际位移量。
S305、在预设范围内选取仿真热源参数。
在本实施例中，预设范围可以理解为仿真热源参数的取值范围。仿真热源参数可以理解为对仿真模型进行仿真焊接时的热源参数。
其中，预设范围不作限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行设定。如，选取适当的热源模型，并根据焊接温度场的合理性，确定热源参数q的取值范围。预设范围可以为：[5～13]e9W/m3。
本步骤可以在预设范围内随机选取一个仿真热源参数，也可以按照预设规则选取一个仿真热源参数，以进行仿真焊接试验。
S306、用选取后的仿真热源参数对应的热源在所述待焊接件的仿真模型上仿真焊接，并检测得到焊接后仿真模型在预设变形位置处的仿真位移量和在预设应力位置处的仿真残余应力。
在选取仿真热源参数后，本步骤可以用仿真热源参数对应的热源在待焊接软件的仿真模型上仿真焊接，以得到仿真焊接后仿真模型在预设变形位置处的仿真位移量和预设应力位置处的仿真残余应力。
需要注意的是，仿真位移量和仿真残余应力获取的具体位置需要与实际焊接后获取实际位移量和实际残余应力的测点的位置对应。即，需要采集同一测点处的实际位移量和仿真位移量；或采集同一测点处的实际残余应力和仿真残余应力，而测点的具体位置不作限定。
S307、判断是否检测预设数量的仿真位移量和仿真残余应力，若是，则执行S308；否则，执行S305。
在本实施例中，预设数量可以理解为预先设定的仿真热源参数选取的数量。可以理解的是，在预设范围内选取一个仿真热源参数，则可以测得一组仿真位移量和仿真残余应力。选取预设数量的仿真热源参数，则可以测得预设数量组数的仿真位移量和仿真残余应力。
本步骤检测到预设数量的仿真位移量和仿真残余应力对应于选取了预设数量的仿真热源参数。选取预设数量的仿真热源参数，并确定预设数量的仿真位移量和仿真残余应力后，可以结合实际位移量和实际残余应力得到吻合度曲线。
具体地，在获取仿真位移量和仿真残余应力后，本步骤可以判断当前采集到仿真位移量和仿真残余应力的数量。如果当前检测到预设数量的仿真位移量和仿真残余应力，则进行吻合度曲线的确定，即可以执行S308；如果没有检测到预设数量的仿真位移量和仿真残余应力，则继续返回选取仿真热源参数的选取操作，即可以执行S305。
需要注意的是，确定实际位移量和实际残余应力的操作与确定仿真位移量和仿真残余应力的操作的执行顺序不作限定，即S305-S307与S301-S304的执行顺序不作限定。可以先确定实际位移量和实际残余应力，也可以先确定仿真位移量和仿真残余应力，还可以同时测得实际位移量、实际残余应力、仿真残余应力和仿真位移量。
进一步地，所述继续在预设范围内选取仿真热源参数，包括：采用梯度下降法继续在预设范围内选取仿真热源参数。
为了提高仿真热源参数选取的效率，本实施例可以采用梯度下降法不断迭代调整仿真热源参数的数值，从而获取对应的仿真位移量和仿真残余应力。
S308、将所述实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力代入误差评价函数，得到预设数量的评价值。
在获得到实际位移量、实际残余应力、预设数量的仿真位移量和仿真残余应力后，本步骤可以将其代入误差评价函数，求得预设数量的评价值。
具体地，当前可以获取到一组一定数量测点对应的实际位移量和实际残余应力。如，在预设变形位置处获取五个测点处的实际位移量，在预设应力位置处获取五个测点处的实际残余应力。当前可以获取到预设数量组数的一定数量测点对应的仿真位移量和仿真残余应力，该测点可以与实际焊接中测点位置对应，如处于相同位置。基于表达式(1)示出的误差评价函数，求得各仿真热源参数对应的评价值。其中，评价值可以为RSME值。因为，仿真热源参数与仿真位移量和仿真残余应力存在对应关系，故能够建立出仿真热源参数和RSME值，即评价值的对应关系。
S309、对所述评价值进行插值拟合，得到吻合度曲线，所述吻合度曲线的自变量为仿真热源参数，因变量为对应的评价值。
在本实施例中，吻合度曲线可以理解为仿真热源参数与评价值的拟合曲线，该吻合度曲线能够反映实际焊接所得的实际测量结果(实际位移量和实际残余应力)与仿真焊接所得的仿真测量结果(仿真位移量和仿真残余应力)的吻合程度。
在确定出预设数量的评价值后，可以结合评价值与仿真热源参数的对应关系确定吻合度曲线。
具体地，本步骤可以基于仿真热源参数和评价值进行插值拟合，拟合得到仿真热源参数与评价值的变化云图或拟合曲线。为了便于测得等效热源参数，本步骤在确定吻合度曲线时，可以将仿真热源参数的取值设为自变量，将仿真热源对应的评价值作为因变量，从而得到吻合度曲线。
S310、将所述吻合度曲线中最小评价值对应的仿真热源参数确定为等效热源参数。
确定出吻合度曲线后，本步骤可以将吻合度曲线中最小评价值对应的仿真热源参数确定为等效热源参数。最小评价值可以表示实际焊接所得的实际测量结果与仿真焊接所得的仿真测量结果较吻合，故本步骤可以将最小评价值的仿真热源参数确定为等效热源参数。
S311、根据所述等效热源参数确定对应的等效热源。
以下对本发明实施例进行示例性描述：
本发明实施例提供了一种以实验进行验证的等效模型：将外界因素对焊接变形和残余应力的影响、焊缝及附近区域复杂的物理化学冶金过程导致的焊接变形和残余应力，通过等效热源的形式进行考虑。通过误差评价函数(RSME)来评估热源参数的合理性，并将一系列热源参数下的RSME通过插值拟合，得到与热源参数有关的RSME函数，进而求得RSME最小时所对应的热源参数，作为相应的等效热源参数，以为仿真焊接过程中能够准确的预测焊接变形和残余应力。
本实施例确定等效热源主要采用实验与数值杂交反演方法。实验与数值结合的等效热源参数反演方法，可获得最准确预测与待预测结构件相同材料、环境和焊接工艺参数下焊接变形和残余应力的热源参数。为了避免考虑焊接过程中的不确定因素及考虑焊接附近的剧烈的化学冶金物理变化导致的过低的计算效率和不收敛，提出以等效热源参数来表征这些影响。为了获得准确的等效热源参数，结合数字图像相关法(DIC)及钻孔法所获得的实际焊接过程中的焊接变形或残余应力数据，进行杂交反演。所获得的等效热源参数可用于同样材料、环境和焊接工艺参数下的焊接变形和残余应力的预测。在进行大型焊接构件的焊接前，可以通过一个简单焊接件的焊接实验，应用此方法获得此时的等效热源参数，进而用于大型构件的焊接变形和残余应力的预测。此方法适用于各种焊接方式和热源模型。
更加具体地，使用平板对接实验，测量了相应的焊接变形和残余应力。来建立有效的有限元模型，即仿真模型，反演出此材料、环境和焊接工艺参数下的等效热源和等效材料性能。
1.平板对接焊接
实验中采用材料为45号钢的平板，其尺寸为400×200×10mm，表1为45号钢的材料成分和力学性能。
表1 45号钢的材料成分和力学性能
Figure BDA0001894604720000121
如表1所示，45号钢的材料组成包括C、Si、Mn、P、S和Cr，力学性能包括屈服强度和拉伸强度。表2为进行平板焊接实验时的焊接方法和条件。
表2进行平板焊接实验时的焊接方法和条件
Figure BDA0001894604720000122
如表2所示，焊接方法为TIG电弧焊，焊接条件包括焊条、焊缝数、焊接电压、焊接电流、焊接速度和焊接热效率。
图3b示出了本发明实施例三提供的对接焊平板示意图；图3c示出了本发明实施例三提供的坡口尺寸示意图。如图3b和图3c所示，焊接开始前，首先将开有坡口的两块均为长400mm、宽200mm、厚10mm的平板点焊在一起，并将A、B两点固定在平台上。然后采用手工电弧焊将两块平板焊接在一起。为了确保将平板焊透，采用了Y型坡口。
2.残余应力和焊接变形测量
为了建立能够准确评估残余应力的仿真模型，进行平板残余应力的测量是很有必要的。根据国家标准GB/T31310-2014，在图3b中Line2上五个位置(即黑色圆点位置处)粘贴钻孔专用应变花，采用钻孔设备钻取直径为2mm、深1.5mm的小孔，获得释放应变ε0、ε45和ε90，其中，ε0位于平行于焊缝的y方向且ε90位于垂直于焊缝的x方向。
根据国家标准得出测量点处残余主应力σ1、σ2及σ1与ε0的夹角γ。因焊接件的厚度相对于长度和宽度很小，可近似看为平面应力状态，故进而计算出相应测量点的残余正应力σx和σy。通过标定实验得到本批45号钢的应变释放系数为A＝-4.587×10-7mm2/N和B＝-7.04×10-7mm2/N。
对于平板焊接，焊接变形主要为离面位移，在实验中采用精度为0.05mm的YHD-50型位移计测量了平板的离面位移，测量点为图3b中Line1上的黑色圆点。
3.等效模型的建立
图3d示出了本发明实施例三提供的仿真模型示意图。如图3d所示，该仿真模型可以为对应于焊接试验中构件的模型。
可选的，此处可以以平板为例，在大型通用有限元分析软件MSC.Marc软件上建立仿真模型，即有限元模型。图3e示出了本发明实施例三提供的随温度变化的热物理参数，图3f示出了本发明实施例三提供的随温度变化的力学性能。为了准确描述焊缝区及热影响区剧烈变化的温度场，同时兼顾计算效率，在焊缝及热影响区采用细密网格，其余区域划分采用与焊缝距离而增大的渐变网格。有限元模型网格划分共有29600个单元和34749个节点，焊缝区单元尺寸为1×1×5mm。
由于实验过程中在A、B两点进行了点焊，故如图3d所示在仿真模型相应位置处施加UX＝UY＝UZ＝0的约束；焊接件放置在平台上，且为了防止有限元计算过程中发生转动，在C、D两点施加UX＝0的约束。焊接结构的温度场主要由焊接热源所决定，采用分段移动均匀体热源，每段焊缝内任意一点的生热率为：
Figure BDA0001894604720000131
其中，U为焊接电压，I为焊接电流，η为焊接热效率，V为热源作用体积，即各段焊缝的体积。热分析时的边界条件主要为对流换热和辐射换热。本模型是为了得出焊接变形和残余应力，因此可以适当降低对焊接温度场模拟的精确度要求，故由于对流和辐射所造成的热损失qh为：
qh＝αh(T-T0)＝αhΔT；
其中，用αh表示复合散热系数，表3为随温度变化的复合散热系数。
表3随温度变化的复合散热系数
Figure BDA0001894604720000141
表3示出了复合散热系数随温度变化的取值。
在力学分析时，考虑随温度变化的热物理参数和力学性能，将热分析模型转换到结构分析模型，如，将SOLID70单元改换为SOLID185三维结构分析单元，有限元网格仍采用热分析时的有限元网格，随温度变化的热物理参数和力学性能如图3e和图3f所示。
焊接过程的力学分析采用热力耦合，即将热分析中通过非线性瞬态热分析获得的整个焊接过程的温度场作为载荷，施加在结构模型上，最终获得焊接变形和残余应力。
4.热源参数的反演
依据上述实验所得到的变形量和残余应力，进行实验数据与有限元计算杂交反演，以获得可以准确预测此材料、环境和焊接工艺参数下焊接变形和残余应力的等效热源参数和材料性能。
在进行等效热源参数的反演时，图3g示出了等效热源参数反演的流程图，如图3g所示，具体流程如下：
(1)对两块平板进行焊接实验，应用位移计测量路径Line1上的焊接变形，冷却至室温后，测量路径Line2上的纵向残余应力和横向残余应力。
(2)根据焊接温度场的合理性，确定生热率q取值范围为[5～13]e9W/m3。
(3)选择热源参数，建立有限元模型，得出Line1和Line2上相应的位移数值计算结果。
(4)将实验位移数据和残余应力数据与数值模拟位移结果进行对比，为了评估当前热源参数所得的数值模拟与实验的吻合程度，采用下面的标准误差评价函数。
(5)在Matlab中采用梯度下降法对RSME进行搜索，得到RSME最小所对应的qmin。
(6)判断qmin是否稳定在某一数值qequ，若是，则将qequ作为等效热源参数；否则，回到步骤(3)。
经过上述反演过程获得稳定的qmin＝10.1717e9W/m3，图3h示出了本发明实施例三提供的误差评价函数与生热率的拟合曲线示意图，此时对应的误差评价函数RSME与生热率q的拟合曲线如图3h所示。可见，当等效热源参数q＝10.1717e9W/m3时，RSME＝3.0115，通过有限元模拟结果求得此时RSME＝3.0191，可知此误差评价函数可较准确地得到不同热源参数下的RSME。
当生热率q＝10.1717e9W/m3，通过与实验测量分析比较，数值模拟与实验吻合较好。可以较好的预测平板焊件的变形趋势和大小，进而可将该反演参数用于同种材料、环境和焊接工艺参数下的复杂结构的焊接顺序优化分析。
可见通过实验和数值杂交反演方法，建立特定材料、环境和焊接工艺参数下的等效有限元模型，是一种预测焊接变形和残余应力、并进行顺序优化的简单可行的方法。
需要说明的是，在焊接试验中，可以根据实际焊接情况，进行具有相同焊缝形式的简单焊接实验。采用数字图像相关法(DIC)测取全场焊接变形或采用钻孔法测取所关注区域相应点的残余应力。此处获取焊接变形和残余应力的位置不作限定。焊接变形可以通过位移量表示。
本发明实施例三提供的一种仿真焊接的方法，具体化了确定实际位移量和实际残余应力的操作、确定仿真位移量和仿真残余应力的操作、确定吻合度曲线的操作和确定等效热源参数的操作。利用该方法能够基于实际焊接后测得的实际位移量和实际残余应力和仿真焊接获得的仿真位移量和仿真残余应力绘制吻合度曲线，基于吻合度曲线确定出最优等效热源参数，从而提高仿真焊接的准确度。
实施例四
图4为本发明实施例四提供的一种仿真焊接的装置的结构示意图，该装置可适用于预测仿真焊接效果的情况，具体地，该方法可适用于通过仿真焊接准确预测焊接变形和残余应力的情况。其中该装置可由软件和/或硬件实现，并一般集成在终端设备上。
如图4所示，该装置包括：参数获取模块41、热源确定模块42和检测模块43；
其中，参数获取模块41，用于获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；
热源确定模块42，用于根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；
检测模块43，用于用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。
在本实施例中，该装置首先通过参数获取模块41获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；然后通过热源确定模块42根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；最后通过检测模块43用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。
本实施例提供了一种仿真焊接的装置，能够通过采用等效热源对待预测结构件对应的构件模型进行仿真焊接，无需考虑焊接过程中的外界影响因素和焊接过程中的物理化学冶金变化，从而快速准确的得到仿真焊接后的预测位移量和预测残余应力，以实现了对仿真焊接的效果的预测。根据仿真焊接和真实焊接的对应，基于仿真焊接的效果能够推导得到反映在实际焊接过程中的焊接效果。
进一步地，热源确定模块42，包括：
参数确定单元，用于根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数，对待焊接构件进行实际焊接，得到实际位移量和实际残余应力，以及对所述待焊接构件的仿真模型仿真焊接，得到仿真位移量和仿真残余应力；
曲线确定单元，用于根据误差评价函数、所述实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力，得到吻合度曲线；
等效热源参数确定单元，用于根据所述吻合度曲线确定等效热源参数；
等效热源确定单元，用于根据所述等效热源参数确定对应的等效热源。
在上述优化的基础上，参数确定单元，具体用于：根据所述材料参数选取对应的待焊接构件；在所述环境参数对应的环境下，对所述待焊接构件进行与所述焊接工艺参数对应的焊接；采用数字图像相关法确定焊接后构件预设变形位置处的实际位移量；采用钻孔法确定焊接后构件预设应力位置处的实际残余应力。
基于上述技术方案，参数确定单元，具体用于：在预设范围内选取仿真热源参数；用选取后的仿真热源参数对应的热源在所述待焊接件的仿真模型上仿真焊接，并检测得到焊接后仿真模型在预设变形位置处的仿真位移量和在预设应力位置处的仿真残余应力，继续在预设范围内选取仿真热源参数，直至确定出预设数量的仿真位移量和仿真残余应力。
进一步地，参数确定单元，在继续在预设范围内选取仿真热源参数时，具体优化为：采用梯度下降法继续在预设范围内选取仿真热源参数。
进一步地，曲线确定单元，具体用于：将所述实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力代入误差评价函数，得到预设数量的评价值；对所述评价值进行插值拟合，得到吻合度曲线，所述吻合度曲线的自变量为仿真热源参数，因变量为对应的评价值。
进一步地，等效热源参数确定单元，具体用于：将所述吻合度曲线中最小评价值对应的仿真热源参数确定为等效热源参数。
上述仿真焊接的装置可执行本发明任意实施例所提供的仿真焊接的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例五
图5为本发明实施例五提供的一种终端设备的结构示意图。如图5所示，本发明实施例五提供的终端设备包括：一个或多个处理器51和存储装置52；该终端设备中的处理器51可以是一个或多个，图5中以一个处理器51为例；存储装置52用于存储一个或多个程序；所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器51执行，使得所述一个或多个处理器51实现如本发明实施例中任一项所述的仿真焊接的方法。
所述终端设备还可以包括：输入装置53和输出装置54。
终端设备中的处理器51、存储装置52、输入装置53和输出装置54可以通过总线或其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。
该终端设备中的存储装置52作为一种计算机可读存储介质，可用于存储一个或多个程序，所述程序可以是软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例一、实施例二或实施例三所提供仿真焊接的方法对应的程序指令/模块(例如，附图4所示的仿真焊接的装置中的模块，包括：参数获取模块41、热源确定模块42和检测模块43)。处理器51通过运行存储在存储装置52中的软件程序、指令以及模块，从而执行终端设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中仿真焊接的方法。
存储装置52可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；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储装置52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，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储装置52可进一步包括相对于处理器51远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置53可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与终端设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置54可包括显示屏等显示设备。
并且，当上述终端设备所包括一个或者多个程序被所述一个或者多个处理器51执行时，程序进行如下操作：
获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；
根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；
用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。
实施例六
本发明实施例六提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时用于执行仿真焊接的方法，该方法包括：
获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；
根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；
用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。
可选的，该程序被处理器执行时还可以用于执行本发明任意实施例所提供的仿真焊接的方法。
本发明实施例的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、可擦式可编程只读存储器(ErasableProgrammable Read Only Memory，EPROM)、闪存、光纤、便携式CD-ROM、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于：电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、无线电频率(Radio Frequency，RF)等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)——连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种仿真焊接的方法，其特征在于，包括：
获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；
根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；
用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，包括：
根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数，对待焊接构件进行实际焊接，得到实际位移量和实际残余应力，以及对所述待焊接构件的仿真模型仿真焊接，得到仿真位移量和仿真残余应力；
根据误差评价函数、所述实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力，得到吻合度曲线；
根据所述吻合度曲线确定等效热源参数；
根据所述等效热源参数确定对应的等效热源。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数，对待焊接构件进行实际焊接，得到实际位移量和实际残余应力，包括：
根据所述材料参数选取对应的待焊接构件；
在所述环境参数对应的环境下，对所述待焊接构件进行与所述焊接工艺参数对应的焊接；
采用数字图像相关法确定焊接后构件预设变形位置处的实际位移量；
采用钻孔法确定焊接后构件预设应力位置处的实际残余应力。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述待焊接构件的仿真模型仿真焊接，得到仿真位移量和仿真残余应力，包括：
在预设范围内选取仿真热源参数；
用选取后的仿真热源参数对应的热源在所述待焊接件的仿真模型上仿真焊接，并检测得到焊接后仿真模型在预设变形位置处的仿真位移量和在预设应力位置处的仿真残余应力，继续在预设范围内选取仿真热源参数，直至确定出预设数量的仿真位移量和仿真残余应力。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述继续在预设范围内选取仿真热源参数，包括：
采用梯度下降法继续在预设范围内选取仿真热源参数。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据误差评价函数、所述实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力，得到吻合度曲线，包括：
将所述实际位移量、实际残余应力、仿真位移量和仿真残余应力代入误差评价函数，得到预设数量的评价值；
对所述评价值进行插值拟合，得到吻合度曲线，所述吻合度曲线的自变量为仿真热源参数，因变量为对应的评价值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述吻合度曲线确定等效热源参数，包括：
将所述吻合度曲线中最小评价值对应的仿真热源参数确定为等效热源参数。
8.一种仿真焊接的装置，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取仿真软件中构件模型的材料参数、焊接的环境参数和焊接工艺参数；
热源确定模块，用于根据所述材料参数、环境参数和焊接工艺参数确定对应的等效热源，所述等效热源用于模拟实际焊接过程中的外界环境参数和构件变化参数；
检测模块，用于用确定的等效热源在所述构件模型上仿真焊接，并检测得到焊接后构件模型的预测位移量和预测残余应力。
9.一种终端设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-7中任一所述的仿真焊接的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的仿真焊接的方法。
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