平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法

摘要

在分析传统平板堆焊熔池与焊缝成形过程模拟与仿真方法缺点的基础上，提出了一种平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法，该方法通过对平板堆焊熔池与焊缝成形过程的综合分析，将计算机图形学中的网格法用于焊接熔池与焊缝成形的模拟与仿真，利用OpenGL技术构建了以平面三角形网格为基础的焊道、熔池及焊缝模型；结合高斯热源模型得到了熔池凹陷及焊缝余高生长函数，并以此为基础控制焊道平面上各三角形网格顶点的运动，从而形成凹陷的网格熔池及网格焊缝，有效地表征了实际焊后鱼鳞纹状焊缝形貌。经实际运行测试，集成系统运行稳定，模拟效果逼真。

主权项

一种平板堆焊成形过程模拟与仿真的网格实现方法，其特征在于：1)焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型焊道、熔池及焊缝的网格一体化模型是指采用大量三角形拼接成网格焊道平面，同时对网格三角形的顶点定义各种属性值，在模拟与仿真过程中，通过控制三角形顶点的运动及顶点各种属性值的变化来改变三角形的形状、取向和颜色，从而来模拟熔池与焊缝的复杂曲面，三角形的顶点属性通过三角形顶点结构体中的参数表征：以float x，y，z定义顶点的坐标，其中x是垂直焊缝方向，y是垂直试板平面的方向，z是沿着焊缝方向；属性visiable表示是否绘制三角形；属性solidorliquid用来表示顶点当前是处于固态还是液态；以float r，g，b定义顶点的颜色；属性normalx、normaly、normalz用来计算顶点的法向量；T定义为每个顶点温度；模拟焊接时，引弧成功之后判断顶点是否处于电弧加热范围，将处于加热范围的顶点设置为可见，并设置顶点的各种属性，然后根据这些顶点绘制三角形，在焊接过程中顶点的坐标按一定的规律变化，从而模拟焊接过程中熔池和焊缝的成形过程；2)熔池的模拟焊接过程中，电弧在焊条和焊件之间燃烧，当加热一段时间后，试板上被电弧加热区域中的金属温度达到熔点时，开始熔化并形成熔池；熔池形成之后，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力向熔池过渡，熔池中的液态金属逐渐增加，在各种力的作用下发生凹陷，对熔池凹陷的模拟也采用高斯分布的形貌，随着电弧在某一点作用时间的增加，熔池凹陷的深度增加，网格三角形顶点的y坐标下降表示熔池的凹陷，在模拟中提出熔池凹陷函数，即公式1来计算顶点y坐标的下降量即模拟熔池的凹陷量， Δy = - k 5 e - ( R x 2 a x 2 + R z 2 b z 2 ) (公式1)式中：Δy为顶点y坐标下降的幅度；k5为系数，可以通过调节k5控制熔池凹陷的快慢；Rx为顶点与电弧中心x方向的距离；ax为控制椭球的长度即熔池的长度，与焊接电流有关；Rz为顶点与电弧中心z方向的距离；bz为控制椭球的宽度即熔池的宽度，与焊接电流有关；通过该熔池凹陷函数及OpenGL的渲染功能得到的模拟熔池效果；3)焊缝成形的模拟在焊接过程中，随着熔滴向熔池的过渡，焊条和焊件连续熔化形成新的熔池，原先熔池中的液态金属在焊接中各种力的作用下被推向熔池后方，在温度降到熔点以下时凝固成焊缝，熔池后方液态金属生长的高度就是焊缝的高度，采用高斯分布的模型为基础，在这些地方的点的y坐标需要向上增加以模拟焊缝生长的过程，y坐标的生长量即模拟焊缝的余高量按式2计算： Δy = k 6 e - R 2 (公式2)式中：Δy为顶点y坐标上升的幅度；k6为比例系数，控制模拟焊缝生长的快慢；R为顶点距离电弧中心的距离，通过该焊缝余高生长函数及OpenGL的渲染功能得到的模拟焊缝与真实焊缝比较效果图。