CN117252000A - 电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统、仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统、仿真方法，构建方法包括：根据电子束倾斜试验确定焊接接头的熔池尺寸；计算热源模型的面能量功率和体能量功率；计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，并根据面能量功率和所述第一几何参数计算椭圆高斯面热源模型的热流密度；计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，并根据体能量功率和所述第二几何参数计算倾斜椭圆台体热源模型的热流密度；椭圆高斯面热源模型的热流密度和倾斜椭圆台体热源模型的热流密度构成了电子束倾斜焊接的椭圆面、倾斜椭圆台体的复合热源模型。本发明提出了一种电子束倾斜焊接的面、体复合热源模型。

Description

电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统、仿真方法

技术领域

本发明涉及电子束倾斜焊接分析领域，特别是涉及一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统、热力学仿真方法。

背景技术

电子束焊接是利用汇聚的高速电子轰击工件产生热能使金属融合的一种焊接方法。由于其能量密度高，深宽比大，焊接变形小及良好的可控性和可达性等优点，在航空航天、轨道交通、汽车船舶等领域得到了广泛应用。

电子束焊接极快的热循环使得焊缝附近出现很大的温度梯度，引发焊后结构中的残余应力和变形，影响焊接结构质量和使用性能。此外，匙孔内金属汽化会产生气泡，匙孔端部钉尖区域的失稳和波动也会形成孔隙，这些气泡和孔隙缺陷主要受焊缝区温度场及熔融金属流动的影响。因此，对电子束焊热过程进行深入研究具有重要意义。近期已有研究者提出了倾斜电子束焊接的方式，即：改变电子束的入射方向，使其与重力方向倾斜入射。电子束倾斜后，热源作用方向和区域的改变会影响焊缝区的温度分布以及熔池内金属的流动行为，有利于减少气孔缺陷。

数值仿真分析是深入探讨焊接过程温度场的重要方法，与试验相比，能够更加全面、深入地研究焊接过程中温度场的时间、空间分布及演变规律。热源模型是焊接仿真分析的基础和关键，从本质上决定着温度场仿真的合理性和有效性。目前电子束垂直焊接的热源模型较多，而电子束倾斜焊接的热源模型还未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统、仿真方法，提出了一种电子束倾斜焊接的面、体复合热源模型，该热源模型的提出为深入研究电子束倾斜焊接温度场、应力场和变形场提供了重要基础，能为提高电子束焊接质量提供有效的工艺控制方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法，所述构建方法包括：

根据电子束倾斜试验确定焊接接头的熔池尺寸；所述熔池尺寸包括熔池上表面宽度、熔池底部宽度和熔池深度；

根据所述电子束倾斜焊接试验中的试验参数计算热源模型的面能量功率和体能量功率；

计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，并根据所述面能量功率和所述第一几何参数计算所述椭圆高斯面热源模型的热流密度；所述第一几何参数包括椭圆长轴、椭圆短轴和椭圆半径；

计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，并根据所述体能量功率和所述第二几何参数计算所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度；所述第二几何参数包括椭圆台的体积和任意z平面的椭圆半径；

根据所述椭圆高斯面热源模型的热流密度和所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度构建电子束倾斜焊接的椭圆面、倾斜椭圆台体的复合热源模型。

可选的，计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，具体包括：

确定电子束倾斜焊接时，依据试验熔池上表面宽度确定所述椭圆短轴；

根据所述椭圆短轴和电子束倾斜角度确定所述椭圆长轴；

选取所述椭圆高斯面热源模型对应的椭圆面内的任一点P，确定所述椭圆面中热源中心与点P沿径向的延长线与椭圆边界线的交点的第一横纵坐标；

根据所述交点的第一横纵坐标计算所述椭圆半径。

可选的，所述椭圆高斯面热源模型的热流密度的表达式为：

其中，q_S(x_p,y_p)表示椭圆面内任意点P(x_p，y_p，z_u)的热流密度；k表示电子束的能量集中系数；b_s表示椭圆短轴；P_s表示面能量功率；θ表示电子束倾斜角度；r表示P点(x_p，y_p，z_u)到当前热源中心的距离；r_se表示椭圆半径。

可选的，计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，具体包括：

确定所述倾斜椭圆台体热源模型的椭圆台的体积；

确定椭圆台内任意一个z平面，记为z_n平面；

在所述z_n平面内选取任意一个点N，确定所述z_n平面的热源中心与点N沿径向的延长线与z_n平面椭圆边界线的交点的第二横纵坐标；

根据所述交点的第二横纵坐标计算所述z_n平面的所述椭圆半径。

可选的，所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度的表达式为：

其中，q_V(x_n,y_n,z_n)表示z_n平面椭圆内的任意点N(x_n,y_n,z_n)的的热流密度；k表示电子束的能量集中系数；P_v表示体能量功率；V_椭圆台表示椭圆台的体积；r_z为N点到z_n水平面上热源中心的距离，r_ze为N点在z_n水平面上对应的椭圆半径。

本发明还提供一种电子束倾斜焊接的热源模型构建系统，所述构建系统包括：

熔池尺寸确定模块，用于根据电子束倾斜试验确定焊接接头的熔池尺寸；所述熔池尺寸包括熔池上表面宽度、熔池底部宽度和熔池深度；

面能量和体能量功率模块，用于根据所述电子束倾斜焊接试验中的试验参数计算热源模型的面能量功率和体能量功率；

第一热流密度计算模块，用于计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，并根据所述面能量功率和所述第一几何参数计算所述椭圆高斯面热源模型的热流密度；所述第一几何参数包括椭圆长轴、椭圆短轴和椭圆半径；

第二热流密度计算模块，用于计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，并根据所述体能量功率和所述第二几何参数计算所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度；所述第二几何参数包括椭圆台的体积和任意z平面的椭圆半径；

复合热源模型构建模块，用于根据所述椭圆高斯面热源模型的热流密度和所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度构建电子束倾斜焊接的椭圆面、倾斜椭圆台体的复合热源模型。

本发明还提供一种基于电子束倾斜焊接的热源模型的热力学仿真方法，所述电子束倾斜焊接的热源模型是基于所述的构建方法构建的，所述仿真方法包括：

根据实际焊件结构，应用有限元单元分析技术建立电子束倾斜焊接的数值模型；

根据椭圆高斯面热源模型的热流密度和倾斜椭圆台体热源模型的热流密度对所述数值模型的单元施加复合热源；

应用传热分析工具对焊接过程进行实时温度场计算，得到温度场计算结果；

应用静力结构分析工具计算焊件的焊后残余应力和变形。

可选的，应用传热分析工具对焊接过程进行实时温度场计算，得到温度场计算结果，之后还包括：

提取焊接时的仿真熔池尺寸结果，并根据焊接试验的熔池尺寸对热源模型的热源参数进行修正；

返回步骤“根据椭圆高斯面热源模型的热流密度和倾斜椭圆台体热源模型的热流密度对所述数值模型的单元施加复合热源”，直至所述仿真熔池尺寸结果与所述焊接试验的熔池尺寸一致，得到与实际焊接一致的温度场仿真结果；应用静力结构分析工具计算焊件的焊后残余应力和变形时是根据所述与实际焊接一致的温度场仿真结果进行分析的。

可选的，应用静力结构分析工具计算焊件的焊后残余应力和变形之后，还包括：

根据所述焊后残余应力和变形对焊接质量进行评估以及分析电子束倾斜角影响规律。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及系统、仿真方法，考虑电子束能量为高斯型分布，发明了一种电子束倾斜焊接的仿真热源模型。电子束倾斜焊接时，垂直于焊件厚度方向的各层能量分布为椭圆形高斯分布。基于电子束焊接工艺计算焊接能量，并基于焊件厚度方向上各层的最大功率密度相等原则，提出了一种电子束倾斜焊接的面、体复合热源模型。焊件熔池位置为倾斜的椭圆高斯分布圆台体热源，焊件熔池上表面为椭圆高斯分布的面热源。该热源模型的提出为深入研究电子束倾斜焊接温度场、应力场和变形场提供了重要基础，能为提高电子束焊接质量提供有效的工艺控制方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法流程图；

图2为本发明实施例一提供的一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法及仿真方法的整体流程图；

图3为本发明实施例一提供的电子束倾斜后焊件表面热源示意图；

图4为本发明实施例一提供的电子倾斜焊接的椭圆台体热源模型的几何解析。

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。

本发明的目的是针对电子束倾斜焊接，在分析电子束倾斜后的能量分布特点及其与工件间实际热作用过程的基础上，提出了一种高斯椭圆面、倾斜高斯椭圆台体的复合热源模型。基于该模型，结合有限元分析方法，可以有效地表征电子束倾斜焊接过程中热量及温度场的时、空间分布及演变规律，进而准确分析焊后残余应力和变形，为电子束焊接工艺优化和质量控制提供一个有效途径。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1和2所示，本实施例提供一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法，所述构建方法包括：

S1：根据电子束倾斜试验确定焊接接头的熔池尺寸；所述熔池尺寸包括熔池上表面宽度、熔池底部宽度和熔池深度。

依据实际焊件焊缝处的几何结构(接头形式及厚度)确定试验样件，确保试验样件的焊缝几何结构与实际焊件相同。针对试验件进行电子束倾斜焊接试验，试验参数与焊件实际焊接参数相同。假设电子束的加速电压为U，电流强度为I，焊接速度为v，电子束倾斜角度为θ。焊接完成后，通过显微镜获得已知焊接工艺下焊接接头的熔池形貌及尺寸，包括熔池上表面宽度W_u，熔池底部宽度W_l，熔池深度h。

S2：根据所述电子束倾斜焊接试验中的试验参数(包括加速电压为U，电流强度为I，焊接速度为v，电子束倾斜角度为θ)计算热源模型的面能量功率和体能量功率。

已知材料对电子束的能量吸收系数(热吸收率)为η，可计算焊接过程中作用在工件上的能量功率P为

P＝ηUI (1)

电子束功率可分为面、体两部分，分别为

P_s＝γ_sP；P_v＝(1-γ_s)P (2)

其中，γ_s是面功率占总功率的比例系数，取值0.05～0.2。

S3：计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，并根据所述面能量功率和所述第一几何参数计算所述椭圆高斯面热源模型的热流密度；所述第一几何参数包括椭圆长轴、椭圆短轴和椭圆半径。

(i)计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的椭圆长轴和椭圆短轴：电子束在任意横断面内的功率密度呈圆形高斯分布，当电子束倾斜角度为θ时，该面内的能量在焊件垂直于厚度方向的各面内呈椭圆形高斯分布。图3给出了上表面热源的几何解析图。假设焊接起始位置坐标为(x₀,y₀,z₀)，则对于熔池上表面，当前热源中心点坐标O₁(x_u,y_u,z_u)可通过式(3)计算获得。

式中t为当前焊接时间。上表面能量分布的椭圆形区域的短轴b_s依据熔池上表面宽度W_u确定，该椭圆形的长轴a_s为：

a_s＝b_s/cosθ (4)

(ii)计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的椭圆半径：面内任一点P点(x_p,y_p,z₀)到当前热源中心的距离为r，对应的椭圆半径(椭圆边界线上的点到椭圆中心的距离)为r_se，如图3所示。点P对应的r_se可通过(5)-(7)式计算获得。

其中x_se,y_se为O₁P沿径向的延长线与椭圆交点的横、纵坐标。

P点坐标已知，热源中心是已知的，应用(6)式和(7)式联立求解得到x_se，y_se，然后应用(5)是得到半径r_se。

(iii)计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的热流密度：电子束倾斜后，作用在焊件表面上的热源为椭圆形高斯面热源。结合能量的高斯分布公式，任意点P(x_p，y_p，z_u)的热流密度可通过公式(8)计算获得。

式中k为电子束的能量集中系数，取值为3。

因此，步骤S3中，计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，可总结为：

(1)确定电子束倾斜焊接时，依据试验熔池上表面宽度确定所述椭圆短轴。

(2)根据所述椭圆短轴和电子束倾斜角度确定所述椭圆长轴。

(3)选取所述椭圆高斯面热源模型对应的椭圆面内的任一点P，确定所述椭圆面中热源中心与点P沿径向的延长线与椭圆边界线的交点的第一横纵坐标。

(4)根据所述交点的第一横纵坐标计算所述椭圆半径。

S4：计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，并根据所述体能量功率和所述第二几何参数计算所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度；所述第二几何参数包括椭圆台的体积和任意z平面的椭圆半径。

(a)计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的椭圆台的体积：电子束倾斜后的体热源为高斯分布的倾斜椭圆台体热源模型，随着深度的增加，椭圆减小。图4给出了该热源模型的几何解析图。椭圆台体热源上下表面的z坐标分别为z_u和z_l，椭圆台体热源上下表面的短轴长分别为b_u和b_l,短轴长依据试验熔池宽度W_u和W_l确定。假定随着热源深度的增加，椭圆呈线性减小，则任意坐标z处水平面上椭圆的短轴b_z和长轴a_z的计算公式为：

a_z(z)＝b_z(z)/cosθ (10)

椭圆台的体积V_椭圆台可通过积分计算式(11)获得。式中H为热源深度，可依据试验熔池深度h确定。

(b)计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型任意z平面的椭圆半径：体热源上表面中心点A_u的坐标为(x_u,y_u,z_u)，与椭圆面热源中心点一致。z_n平面为倾斜椭圆台体热源模型任意一z平面，则该面内的热源中心点A_z的坐标x_z和y_z分别为：

x_z＝x_u+(z_u-z_n)·tanθ (12)

y_z＝y_u (13)

则对于z_n平面内任意点N(x_n,yn,z_n)，其对应的椭圆半径r_ze可通过式(14)-(16)计算。

其中x_ze,y_ze为A_zN延径向的延长线与椭圆的交点的横、纵坐标。

(c)计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的热流密度。设任一坐标z_n处水平面上的能量分布均保持为椭圆形的高斯分布，并假定域内每个面上的最大热流密度q_m值相同，依据“能量密度在体域内积分等于总功率”确定q_m值，则对域内任意点N(x_n,y_n,z_n)，其热流密度公式为：

其中，q_V(x_n,y_n,z_n)表示z_n平面椭圆内的任意点N(x_n,y_n,z_n)的的热流密度；k表示电子束的能量集中系数；P_v表示体能量功率；V_椭圆台表示椭圆台的体积；r_z为N点到z_n水平面上热源中心的距离，r_ze为该点在z_n水平面上对应的椭圆半径(见图4)，由式(14)计算可得。

因此，步骤S4中，计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，可总结为：

(1)确定所述倾斜椭圆台体热源模型的椭圆台的体积。

(2)确定椭圆台内任意一个z平面，记为z_n平面。

(3)在所述z_n平面内选取任意一个点N，确定所述z_n平面的热源中心与点N沿径向的延长线与z_n平面椭圆边界线的交点的第二横纵坐标。

(4)根据所述交点的第二横纵坐标计算所述z_n平面的所述椭圆半径。

S5：根据所述椭圆高斯面热源模型的热流密度和所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度构建电子束倾斜焊接的椭圆面、倾斜椭圆台体的复合热源模型。

综上，式(8)和式(17)给出了电子束倾斜焊接的椭圆面、倾斜椭圆台体的复合热源模型计算公式。焊件熔池位置为倾斜的椭圆高斯分布圆台体热源，焊件熔池上表面为椭圆高斯分布的面热源。

本实施例中，目前电子束垂直焊接的热源模型较多，而电子束倾斜焊接的热源模型还未见报道，针对电子束倾斜焊接的温度场、应力场及变形场研究也未见报道。

1)所发明的电子束焊接倾斜热源模型保证热源能量与电子束焊接能量一致，由此该热源模型能够有效表征电子束焊接能量。

2)所发明的电子束焊接倾斜热源模型中，垂直焊件厚度方向的平面内能量遵从椭圆形高斯分布，与电子束倾斜后的能量分布特征一致。

3)所发明的电子束焊接倾斜热源模型，随着焊件深度的增加，椭圆热源逐渐减小，符合电子束焊接中热量的变化特征。

4)基于所发明的电子束倾斜焊接热源模型，分析电子束倾斜角度对焊件焊后残余应力及变形的影响，为电子束焊接工艺的优化和焊件质量的提升提供理论支撑。

综上，本发明的电子束焊接倾斜热源模型能够有效表征电子束倾斜焊接中的热源能量分布特点，能够为电子束倾斜焊接温度场分析提供正确的热源，应用该热源能够准确分析焊接过程的温度场以及焊后残余应力和变形，为电子束焊接工艺优化和质量控制提供一个有效途径。

实施例二

本实施例提供一种电子束倾斜焊接的热源模型构建系统，所述构建系统包括：

熔池尺寸确定模块，用于根据电子束倾斜试验确定焊接接头的熔池尺寸；所述熔池尺寸包括熔池上表面宽度、熔池底部宽度和熔池深度。

面能量和体能量功率模块，用于根据所述电子束倾斜焊接试验中的试验参数计算热源模型的面能量功率和体能量功率。

第一热流密度计算模块，用于计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，并根据所述面能量功率和所述第一几何参数计算所述椭圆高斯面热源模型的热流密度；所述第一几何参数包括椭圆长轴、椭圆短轴和椭圆半径。

第二热流密度计算模块，用于计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，并根据所述体能量功率和所述第二几何参数计算所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度；所述第二几何参数包括椭圆台的体积和任意z平面的椭圆半径。

复合热源模型构建模块，用于根据所述椭圆高斯面热源模型的热流密度和所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度构建电子束倾斜焊接的椭圆面、倾斜椭圆台体的复合热源模型。

实施例三

如图2所示，本实施例提供一种基于电子束倾斜焊接的热源模型的热力学仿真方法，所述电子束倾斜焊接的热源模型是基于实施例一所述的构建方法构建的，所述仿真方法包括：

T1：根据实际焊件结构，应用有限元单元分析技术建立电子束倾斜焊接的数值模型。

T2：根据椭圆高斯面热源模型的热流密度和倾斜椭圆台体热源模型的热流密度对所述数值模型的单元施加复合热源。

T3：应用传热分析工具对焊接过程进行实时温度场计算，得到温度场计算结果。

T4：针对实际焊件的电子束倾斜焊接的数值模型，引入温度场计算结果，应用静力结构分析工具计算焊件的焊后残余应力和变形。

针对不同的电子束倾斜角度焊接工况，重复步骤T1-T4，分析电子束倾斜角度对焊后残余应力和变形的影响，为提高电子束焊接质量提供理论支撑。

其中，步骤T3中，应用传热分析工具对焊接过程进行实时温度场计算，得到温度场计算结果，之后还包括：

(1)提取稳态焊接时的仿真熔池尺寸结果，并根据焊接试验的熔池尺寸对热源模型的热源参数进行修正，涉及模型公式中的参数γ_s，b_u，b_l，b_s的修正。

(2)返回步骤T2“根据椭圆高斯面热源模型的热流密度和倾斜椭圆台体热源模型的热流密度对所述数值模型的单元施加复合热源”，直至所述仿真熔池尺寸结果与所述焊接试验的熔池尺寸一致，得到与实际焊接一致的温度场仿真结果；应用静力结构分析工具计算焊件的焊后残余应力和变形时是根据所述与实际焊接一致的温度场仿真结果进行分析的。

其中，步骤T4中，应用静力结构分析工具计算焊件的焊后残余应力和变形之后，还包括：

根据所述焊后残余应力和变形对焊接质量进行评估以及分析电子束倾斜角影响规律。

实施例四

本实施例提供一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例一的电子束倾斜焊接的热源模型构建方法。

可选地，上述电子设备可以是服务器。

另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一的电子束倾斜焊接的热源模型构建方法。

本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种电子束倾斜焊接的热源模型构建方法，其特征在于，所述构建方法包括：

根据电子束倾斜试验确定焊接接头的熔池尺寸；所述熔池尺寸包括熔池上表面宽度、熔池底部宽度和熔池深度；

根据所述电子束倾斜焊接试验中的试验参数计算热源模型的面能量功率和体能量功率；

计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，并根据所述面能量功率和所述第一几何参数计算所述椭圆高斯面热源模型的热流密度；所述第一几何参数包括椭圆长轴、椭圆短轴和椭圆半径；

计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，并根据所述体能量功率和所述第二几何参数计算所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度；所述第二几何参数包括椭圆台的体积和任意z平面的椭圆半径；

根据所述椭圆高斯面热源模型的热流密度和所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度构建电子束倾斜焊接的椭圆面、倾斜椭圆台体的复合热源模型。

2.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，具体包括：

确定电子束倾斜焊接时，依据试验熔池上表面宽度确定所述椭圆短轴；

根据所述椭圆短轴和电子束倾斜角度确定所述椭圆长轴；

选取所述椭圆高斯面热源模型对应的椭圆面内的任一点P，确定所述椭圆面中热源中心与点P沿径向的延长线与椭圆边界线的交点的第一横纵坐标；

根据所述交点的第一横纵坐标计算所述椭圆半径。

3.根据权利要求2所述的构建方法，其特征在于，所述椭圆高斯面热源模型的热流密度的表达式为：

其中，q_S(x_p,y_p)表示椭圆面内任意点P(x_p，y_p，z_u)的热流密度；k表示电子束的能量集中系数；b_s表示椭圆短轴；P_s表示面能量功率；θ表示电子束倾斜角度；r表示P点(x_p，y_p，z_u)到当前热源中心的距离；r_se表示椭圆半径。

4.根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，具体包括：

确定所述倾斜椭圆台体热源模型的椭圆台的体积；

确定椭圆台内任意一个z平面，记为z_n平面；

在所述z_n平面内选取任意一个点N，确定所述z_n平面的热源中心与点N沿径向的延长线与z_n平面椭圆边界线的交点的第二横纵坐标；

根据所述交点的第二横纵坐标计算所述z_n平面的所述椭圆半径。

5.根据权利要求4所述的构建方法，其特征在于，所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度的表达式为：

其中，q_V(x_n,y_n,z_n)表示z_n平面椭圆内的任意点N(x_n,y_n,z_n)的的热流密度；k表示电子束的能量集中系数；P_v表示体能量功率；V_椭圆台表示椭圆台的体积；r_z为N点到z_n水平面上热源中心的距离，r_ze为N点在z_n水平面上对应的椭圆半径。

6.一种电子束倾斜焊接的热源模型构建系统，其特征在于，所述构建系统包括：

熔池尺寸确定模块，用于根据电子束倾斜试验确定焊接接头的熔池尺寸；所述熔池尺寸包括熔池上表面宽度、熔池底部宽度和熔池深度；

面能量和体能量功率模块，用于根据所述电子束倾斜焊接试验中的试验参数计算热源模型的面能量功率和体能量功率；

第一热流密度计算模块，用于计算电子束倾斜焊接的椭圆高斯面热源模型的第一几何参数，并根据所述面能量功率和所述第一几何参数计算所述椭圆高斯面热源模型的热流密度；所述第一几何参数包括椭圆长轴、椭圆短轴和椭圆半径；

第二热流密度计算模块，用于计算电子束倾斜焊接的倾斜椭圆台体热源模型的第二几何参数，并根据所述体能量功率和所述第二几何参数计算所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度；所述第二几何参数包括椭圆台的体积和任意z平面的椭圆半径；

复合热源模型构建模块，用于根据所述椭圆高斯面热源模型的热流密度和所述倾斜椭圆台体热源模型的热流密度构建电子束倾斜焊接的椭圆面、倾斜椭圆台体的复合热源模型。

7.一种基于电子束倾斜焊接的热源模型的热力学仿真方法，其特征在于，所述电子束倾斜焊接的热源模型是基于权利要求1至5任一项所述的构建方法构建的，所述仿真方法包括：

根据实际焊件结构，应用有限元单元分析技术建立电子束倾斜焊接的数值模型；

根据椭圆高斯面热源模型的热流密度和倾斜椭圆台体热源模型的热流密度对所述数值模型的单元施加复合热源；

应用传热分析工具对焊接过程进行实时温度场计算，得到温度场计算结果；

应用静力结构分析工具计算焊件的焊后残余应力和变形。

8.根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，应用传热分析工具对焊接过程进行实时温度场计算，得到温度场计算结果，之后还包括：

提取焊接时的仿真熔池尺寸结果，并根据焊接试验的熔池尺寸对热源模型的热源参数进行修正；

返回步骤“根据椭圆高斯面热源模型的热流密度和倾斜椭圆台体热源模型的热流密度对所述数值模型的单元施加复合热源”，直至所述仿真熔池尺寸结果与所述焊接试验的熔池尺寸一致，得到与实际焊接一致的温度场仿真结果；应用静力结构分析工具计算焊件的焊后残余应力和变形时是根据所述与实际焊接一致的温度场仿真结果进行分析的。

9.根据权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，应用静力结构分析工具计算焊件的焊后残余应力和变形之后，还包括：

根据所述焊后残余应力和变形对焊接质量进行评估以及分析电子束倾斜角影响规律。