一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法

摘要

本发明公开了一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法。方法包括：一，建立双椭球热源模型得到热流密度分布函数；二，建立有限元模型模拟温度场，取一组单丝埋弧焊匹配的焊接电压、焊接电流、焊接速度和焊接倾角作为模拟基本参数，基于实验结果得到一组合适的双椭球热源模型参数；三，对步骤二中双椭球热源模型参数以10%的幅度进行调整，对各参数组合分别进行有限元数值模拟，得到多组熔宽、熔深样本数值；以确定双椭球热源模型参数和焊接速度对熔宽、熔深的敏感性方程；四，忽略对敏感性方程影响小的参数，得出精简后的敏感性方程；五，将公式进行推广验证。本发明与传统人工搜索热源模型参数方法相比，效率高，大大减少计算时间。

主权项

一种单丝埋弧焊数值模拟热源模型参数的确定方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：建立双椭球热源模型得到热流密度分布函数：前半部分椭球内热流密度分布函数为：$q_f(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{f}Q}{{\pi }^{\frac{3}{2}}{a}_{f}bc}\exp (-3(\frac{{(x-vt)}^2}{{\left(\frac{a_f}{cos\alpha }\right)}^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{{\left(\frac{c}{\cos \alpha }\right)}^2}\left)\right)$后半部分椭球热流密度分布函数为：$q_r(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}{f}_{r}Q}{{\pi }^{\frac{3}{2}}{a}_{r}bc}\exp (-3(\frac{{(x-vt)}^2}{{\left(\frac{a_r}{cos\alpha }\right)}^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{{\left(\frac{c}{\cos \alpha }\right)}^2}\left)\right)$式中f_f和f_r分别为总的输入功率在熔池前后部分的分配指数，且f_f+f_r＝2，Q为电弧有效功率，Q＝ηUI；U为焊接电压，I为焊接电流，η为电弧有效热效率系数，取值0.77～0.9；v为焊接速度；α为焊接倾角，a_f、a_r为双椭球热源模型前、后半球长半轴的长度，b为双椭球短半轴长度，c为双椭球深度，t为焊接过程进行的时间；步骤二，建立有限元模型，取一组单丝埋弧焊匹配的焊接电压、焊接电流、焊接速度和焊接倾角作为已知参数，进行有限元反演获得最优的双椭球热源模型参数；步骤三，对获得的双椭球热源模型参数和焊接速度以设定的幅度进行调整，获得多组参数组合；对各参数组合分别进行模拟获得相应的熔宽、熔深数值，得到多组参数与熔宽、熔深对应的样本；以双椭球热源模型参数：a_f、a_r、b、c和焊接速度v为输入参数，以熔宽w、熔深p为输出参数，将对应样本代入回归方程得出敏感性分析结果：$w(a_f,a_r,b,c,v)=x_{1w}{a_f}^{x_{2w}}{a_r}^{x_{3w}}{b}^{x_{4w}}{c}^{x_{5w}}{v}^{x_{6w}}$$p(a_f,a_r,b,c,v)=x_{1p}{a_f}^{x_{2p}}{a_r}^{x_{3p}}{b}^{x_{4p}}{c}^{x_{5p}}{v}^{x_{6p}}$其中，x^2w、x^3w、x^4w、x^5w、x^6w为a_f、a_r、b、c、v对熔宽w的敏感性系数；x^2p、x^3p、x^4p、x^5p、x^6p为a_f、a_r、b、c、v对熔深p的敏感性系数；x_1w、x_1p为与Q有关的函数f(Q)、g(Q)；步骤四，对所得敏感性方程进行简化和拟合，具体过程为：1)根据步骤三中敏感性方程得出影响熔宽w、熔深p的主要热源模型参数为b、c以及v；忽略对敏感性方程影响小的参数a_f和a_r，得出简化后的敏感性方程；2)将多组样本数值代入简化后的敏感性方程中对f(Q)、g(Q))进行二次拟合；得到f(Q)、g(Q)关于Q的表达式；步骤五，利用以上敏感性方程预测热源模型参数。