| 主权项 |
一种T型接头双激光束焊接熔池流场的模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：第一步：建立联合熔池三维温度场与流场模型在CAD软件(计算机辅助设计软件)中建立工件的几何模型，对工件进行网格划分；网格划分是指网格划分统一采用六面体单元，靠近焊缝的区域采用单元较小的加密型网格，离焊缝越远，网格尺寸越大；第二步：针对第一步完成的流场模型建立控制方程控制方程由如下能量方程、动量方程、连续性方程构成，分别为能量方程： <mrow> <mfrac> <mrow> <mo>∂</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>ρh</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mo>∂</mo> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mo>▿</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>ρu</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>h</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mo>▿</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>k</mi> <msub> <mi>C</mi> <mi>p</mi> </msub> </mfrac> <mo>▿</mo> <mi>h</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>h</mi> </msub> </mrow>动量方程： <mrow> <mfrac> <mrow> <mo>∂</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>ρu</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mo>∂</mo> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mo>▿</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>ρu</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>u</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mo>▿</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>μ</mi> <mo>▿</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>μ</mi> <mi>K</mi> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>u</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>V</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>S</mi> <mi>ui</mi> </msub> </mrow>连续性方程： <mrow> <mfrac> <mrow> <mo>∂</mo> <mi>ρ</mi> </mrow> <mrow> <mo>∂</mo> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>+</mo> <mo>▿</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>ρu</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow>公式中ρ是材料密度，ui与uj熔融金属在x，y方向速度，k是导热系数；V是焊接速度；Cp是定压比热容；h是焓；μ是粘度；Sh是能量方程源项；Sui是动量方程源项；t是时间；K是渗透率函数；上述K渗透率函数必须遵循如下方程： <mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <msup> <msub> <mi>f</mi> <mi>L</mi> </msub> <mn>3</mn> </msup> <mrow> <mi>D</mi> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>L</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>上述公式中fL为液相体积分数；D为与fL相关的Darcy(达西)常数； 在液相区fL＝1；在固相区fL＝0；在固液交界的糊状区，0＜fL＜1；上述能量方程中源项Sh通过如下方程控制热量输入大小： <mrow> <msub> <mi>S</mi> <mi>h</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mo>∂</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>ρΔH</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mo>∂</mo> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>-</mo> <mo>▿</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>ρu</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>ΔH</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>,</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>上述公式中q(x，y，z)是点(x，y，z)处的热流密度值；ΔH为相变潜热值；其中q(x，y，z)的热流密度值由如下公式控制数值大小： <mrow> <mi>q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>,</mo> <mi>z</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mrow> <mn>3</mn> <mi>c</mi> </mrow> <mi>s</mi> </msub> <mi>Q</mi> </mrow> <mrow> <mi>π</mi> <msub> <mi>H</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mi>exp</mi> <mo>[</mo> <mfrac> <mrow> <mo>-</mo> <msub> <mrow> <mn>3</mn> <mi>c</mi> </mrow> <mi>s</mi> </msub> </mrow> <mrow> <mi>log</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>H</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>z</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msup> <mi>x</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>y</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> </mrow>公式中H0是体热源的高度；Q是激光束的有效功率；cS是热源形状集中系数；第三步：基于CFD软件(计算流体力学软件)求解控制方程，进行流场计算：将建立完成的流场模型导入CFD软件，设置热源边界条件及控制热源位置，将双激光束的热源作为附加源项加入能量方程，采用层流模拟进行计算，采用求解压力耦合的质量、动量、能量传递方程的半隐式方法进行迭代求解直至结果收敛，得到焊接过程中的速度场、温度场和液相体积分数分布，导出计算结果。 |
