一种激光焊接热源模型的建立方法

摘要

一种激光焊接热源模型的建立方法，本发明涉及焊接热源模型的建立方法。本发明是要解决大型复杂构件的激光焊接模拟中存在的激光热源实现难度大，计算效率低的问题，而提供的一种激光焊接热源模型的建立方法。第一步：建立三维有限元网格模型；第二步：建立热源表面的高斯热源模型；第三步：将焊接能量沿着激光焊接熔池深度方向进行拓展；第四步：基于有限元计算软件求解控制方程，进行热-机耦合计算，即完成了激光焊接热源模型的建立。本发明应用于焊接领域。

主权项

一种激光焊接热源模型的建立方法，其特征在于激光焊接热源模型的建立方法按以下步骤实现：第一步：建立三维有限元网格模型：在三维造型软件中建立工件的几何模型，利用网格划分软件或者有限元计算软件对工件进行网格划分；第二步：建立热源表面的高斯热源模型： q ( x , y , t ) = 3 Q η 1 π R 2 exp ( - 3 ( x 2 + y 2 ) R 2 ) - - - ( 1 ) 式中q(x，y，t)为面热源在工件表面上的热流密度分布，R为面热源有效加热半径，Q为焊接功率，参数η1为面热源能量分配系数，t为时间；第三步：将焊接能量沿着激光焊接熔池深度方向进行拓展：复制双椭球热源模型，将焊接能量分布到激光焊接熔池深度方向，在表面的高斯热源的下方叠加一个或者多个热源尺寸较小的双椭球热源可实现深宽比较大的激光熔池形貌；其中，所述双椭球热源模型将焊接熔池的前半部分作为一个1/4椭球，后半部分作为另一个1/4椭球，面热源下方第i个双椭球热源的公式为：前半部分椭球内热源分布函数： q ( x , y , z , t ) = 6 3 f f Q η i a i 1 b i c i π π e - 3 x 2 / a i 1 2 e - 3 y 2 / b i 2 e - 3 z 2 / c i 2 - - - ( 2 ) 后半部分椭球内热源分布函数： q ( x , y , z , t ) = 6 3 f r Q η i a i 2 b i c i π π e - 3 x 2 / a i 2 2 e - 3 y 2 / b i 2 e - 3 z 2 / c i 2 - - - ( 3 ) 式中q(x，y，z，t)为双椭球热源在工件内部的热流密度分布，ff和fr分别为总的输入功率在熔池前、后两部分的分配指数，通常ff+fr＝2，ηi为第i个热源的能量分配系数，参数ai1，ai2，bi，ci为激光焊接热源内部双椭球热源参数，其中(n‑1)*i≤ci≤n*i；对于整个激光热源来说 Σ i = 1 n c i = h Σ i = 1 n η i = η Q＝ηUIh为激光焊接热源总的有效作用深度，η为激光热源功率有效系数；第四步：基于有限元计算软件求解控制方程，进行热‑机耦合计算：将所建立的激光热源模型加载到网格模型上，设置热源边界条件及控制热源位置，提交运算并导出计算结果，建立三维具有内热源和瞬态温度场的固体导热微分方程： ∂ T ∂ t = k ρ c p ( ∂ 2 T ∂ x 2 + ∂ 2 T ∂ y 2 + ∂ 2 T ∂ z 2 + q v k ) - - - ( 4 ) 式中，T为物体的瞬态温度，t为过程进行的时间，k为材料的导热系数，ρ为材料的密度，cp为材料的定压比热，qv为材料的内热源强度，x，y，z分别为坐标系中的三向坐标，建立热‑弹塑性控制方程：dσ＝[Dep]dε＝([De]‑[Dp])dε(5)式中，[De]为弹性矩阵，[Dp]为塑性矩阵，[Dep]为弹塑性矩阵，即完成了激光焊接热源模型的建立。