專利名稱：一種基于ProCAST數(shù)值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域，具體為一種基于ProCAST數(shù)值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法。
背景技術(shù)：
汽車輕量化已成為21世紀(jì)汽車技術(shù)的前沿和熱點(diǎn)，大量輕質(zhì)材料在車身上的使用對(duì)于整車的輕量化起著舉足輕重的作用。對(duì)汽車車身多材料結(jié)構(gòu)而言，激光焊接具有能量密度高、熱量集中、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是鋼/鋁異種金屬的理想焊接方法，然而激光焊接是一個(gè)快速而不均勻的熱循環(huán)過程，焊縫附近加熱或冷卻過程中溫度梯度較大，因此準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)激光焊接溫度場的分布規(guī)律，對(duì)控制焊接質(zhì)量和使用性能具有重要現(xiàn)實(shí)意義。目前大多是采用有限元分析軟件對(duì)激光焊接溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，其在熱源模型選取、材料未知溫度范圍內(nèi)熱物理參數(shù)的確定、等離子體對(duì)溫度場的影響等研究方面存在較多難點(diǎn)。常用的有限元軟件有Ansys、Sysweld、Phoenics等。Ansys為通用有限元軟件，缺乏材料未知溫度范圍內(nèi)熱物理參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，Sysweld雖為焊接軟件專家,但涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題，性價(jià)比低，而Phoenics軟件則在編程方面要求較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種基于PioCAST數(shù)值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法，其中ProCAST軟件擁有工業(yè)驗(yàn)證的熱物理材料參數(shù)數(shù)據(jù)庫和標(biāo)準(zhǔn)化通用界面，可加載自定義熱源載荷，適合鋼/鋁異種金屬激光焊接溫度場的數(shù)值模擬與計(jì)算，以此來解決上述背景技術(shù)中的難點(diǎn)。本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)
一種基于ProCAST數(shù)值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法，包括以下步驟
(1)焊接模型的建立從UG中導(dǎo)出焊接實(shí)體模型，生成網(wǎng)格后，將模型導(dǎo)入PreCAST中，設(shè)置焊材參數(shù)、初始條件及邊界條件、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，完成建模模型；
(2)疊加熱源載荷施加根據(jù)實(shí)際激光焊接工藝特點(diǎn)，利用C++程序，編寫由高斯面熱源和等離子體點(diǎn)熱源的疊加熱源q以及驅(qū)動(dòng)外部計(jì)算文件.c ；
(3)計(jì)算運(yùn)行在ProCAST求解模塊中，DataCAST模塊將步驟(I)中建模模型的ASCII轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼供ProCAST運(yùn)行求解器的計(jì)算使用，同時(shí)通過由驅(qū)動(dòng)外部計(jì)算文件.c作為通信串口，調(diào)用步驟(2)中自定義的疊加熱源q ;在模擬計(jì)算中，激光光斑中心點(diǎn)沿激光頭移動(dòng)方向向前移動(dòng)位移As，其中As=時(shí)間步長*速度，即用跳躍式小步長模擬連續(xù)激光加載，此時(shí)以移動(dòng)中的光斑中心點(diǎn)位置為圓心，通過外部調(diào)用面熱流密度函數(shù)程序?qū)ξ挥诠獍邊^(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和取點(diǎn)，并分別在數(shù)值模擬計(jì)算的開始和結(jié)束以及計(jì)算中每一個(gè)時(shí)間步長的開始和結(jié)束時(shí)調(diào)用該函數(shù)，由驅(qū)動(dòng)外部計(jì)算文件.c作為通信串口進(jìn)行鏈接求解后將不同時(shí)刻的溫度場進(jìn)行疊加，從而模擬計(jì)算出節(jié)點(diǎn)各個(gè)時(shí)刻的溫度場；計(jì)算出該單元一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，其余節(jié)點(diǎn)溫度近似獲得，即將空間域離散到時(shí)間域按步長循環(huán)加載，用離散的點(diǎn)逼近連續(xù)的時(shí)空域，得到數(shù)值模擬的溫度場；
(4)結(jié)果顯示調(diào)用PioCAST的ViewCAST模塊獲得不同時(shí)刻的溫度場分布云圖、焊縫附近點(diǎn)的熱循環(huán)圖和預(yù)測焊件各點(diǎn)的溫度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明通過在ProCAST有限元軟件中加載自定義外加平面分布的高斯熱源與等離子體點(diǎn)熱源的疊加模型，利用ProCAST軟件對(duì)鋼/鋁異種金屬激光焊接溫度場的分布進(jìn)行數(shù)值模擬，得到焊接溫度場云圖、焊縫附近點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，預(yù)測焊件各點(diǎn)的溫度，對(duì)準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)鋼/鋁激光焊接溫度場的分布規(guī)律、控制焊接質(zhì)量和使用性能提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。


圖1是本發(fā)明的總流程圖。圖2是ProCAST中過渡網(wǎng)格及邊界條件圖。圖3是ProCAST數(shù)值模擬中6016鋁合金的熱物理參數(shù)圖。圖4是ProCAST數(shù)值模擬中DC51D+ZF鍍鋅鋼的熱物理參數(shù)圖。圖5是ProCAST在St印=150時(shí)的模擬溫度場云圖(功率2kw、速度30mm/s光斑半徑 O. 9mm)。圖6是ProCAST在St印=650時(shí)的模擬溫度場云圖(工藝條件同圖5)。圖7是ProCAST在St印=870時(shí)的模擬溫度場云圖(工藝條件同圖5)。圖8是ProCAST在St印=1560時(shí)的模擬溫度場云圖(工藝條件同圖5)。圖9是ProCAST在St印=1560時(shí)焊縫及附近處的溫度梯度圖(工藝條件同圖5)。圖10是ProCAST在St印=1560時(shí)焊縫及附近處的熱循環(huán)圖(工藝條件同圖5)。圖11是ProCAST模擬最高溫度與實(shí)測溫度的比較圖(工藝條件同圖5)。
具體實(shí)施例方式下面舉例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)闡述。1、鋼/鋁激光焊接溫度場的數(shù)值模擬 (I)模型的建立
在UG中建立模型，模型尺寸40mmX 20mmX1. Omm和40mmX 20mmX1. 4mm,保存為
Paraso I i d格式的中間文件，在MeshCAST前處理模塊中讀??；在網(wǎng)格環(huán)境中設(shè)置不同區(qū)域網(wǎng)格長度，分別生成面、體網(wǎng)格，并檢查網(wǎng)格壞單元、網(wǎng)格中交叉重疊部分、鈍角度，直到得到光滑平整的網(wǎng)格，導(dǎo)入MeshCAST后處理模塊，產(chǎn)生有限元網(wǎng)格，生成的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為11764，四面體單元總數(shù)為56221。( 2 )初始及邊界條件
初始溫度設(shè)為環(huán)境溫度；由于對(duì)稱性，焊接的對(duì)稱面考慮為絕熱邊界條件；光斑掃描方向的區(qū)域選擇施加熱流q ;其余面均施加表面對(duì)流邊散熱，換熱系數(shù)選取IOW/(m2 k)。
(3)材料的熱物理性能參數(shù)
利用PioCAST有限元軟件的經(jīng)過工業(yè)驗(yàn)證的熱力學(xué)數(shù)據(jù)庫，基于基體金屬與合金成分，獲取6016鋁合金、DC51D+ZF鍍鋅鋼的密度、比熱容和熱導(dǎo)率等熱物理參數(shù)隨溫度變化的值。(4)相變潛熱
在PtoCAST模擬計(jì)算中，利用等效比熱容法處理相變潛熱，按下數(shù)學(xué)式計(jì)算
權(quán)利要求
1.一種基于ProCAST數(shù)值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法，其特征是，包括以下步驟 (1)焊接模型的建立從UG中導(dǎo)出焊接實(shí)體模型，生成網(wǎng)格后，將模型導(dǎo)入PreCAST中，設(shè)置焊材參數(shù)、初始條件及邊界條件、設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，完成建模模型； (2)疊加熱源載荷施加根據(jù)實(shí)際激光焊接工藝特點(diǎn)，利用C++程序，編寫由高斯面熱源和等離子體點(diǎn)熱源的疊加熱源q以及驅(qū)動(dòng)外部計(jì)算文件.c ； (3)計(jì)算運(yùn)行在ProCAST求解模塊中，DataCAST模塊將步驟(I)中建模模型的ASCII轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼供ProCAST運(yùn)行求解器的計(jì)算使用，同時(shí)通過由驅(qū)動(dòng)外部計(jì)算文件.c作為通信串口，調(diào)用步驟(2)中自定義的疊加熱源q;在模擬計(jì)算中，激光光斑中心點(diǎn)沿激光頭移動(dòng)方向向前移動(dòng)位移As，其中As=時(shí)間步長*速度，即用跳躍式小步長模擬連續(xù)激光加載，此時(shí)以移動(dòng)中的光斑中心點(diǎn)位置為圓心，通過外部調(diào)用面熱流密度函數(shù)程序?qū)ξ挥诠獍邊^(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別和取點(diǎn)，并分別在數(shù)值模擬計(jì)算的開始和結(jié)束以及計(jì)算中每一個(gè)時(shí)間步長的開始和結(jié)束時(shí)調(diào)用該函數(shù)，由驅(qū)動(dòng)外部計(jì)算文件.c作為通信串口進(jìn)行鏈接求解后將不同時(shí)刻的溫度場進(jìn)行疊加，從而模擬計(jì)算出節(jié)點(diǎn)各個(gè)時(shí)刻的溫度場；計(jì)算出該單元一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，其余節(jié)點(diǎn)溫度近似獲得，即將空間域離散到時(shí)間域按步長循環(huán)加載，用離散的點(diǎn)逼近連續(xù)的時(shí)空域，得到數(shù)值模擬的溫度場； (4)結(jié)果顯示調(diào)用PioCAST的ViewCAST模塊獲得不同時(shí)刻的溫度場分布云圖、焊縫附近點(diǎn)的熱循環(huán)圖和預(yù)測焊件各點(diǎn)的溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于ProCAST數(shù)值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法，包括焊接模型的建立、疊加熱源載荷施加、計(jì)算運(yùn)行和結(jié)果顯示。本發(fā)明通過在ProCAST有限元軟件中加載自定義外加平面分布的高斯熱源與等離子體點(diǎn)熱源的疊加模型，利用ProCAST軟件對(duì)鋼/鋁異種金屬激光焊接溫度場的分布進(jìn)行數(shù)值模擬，得到焊接溫度場云圖、焊縫附近點(diǎn)的熱循環(huán)曲線，預(yù)測焊件各點(diǎn)的溫度，對(duì)準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)鋼/鋁激光焊接溫度場的分布規(guī)律、控制焊接質(zhì)量和使用性能提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。
文檔編號(hào)G06F17/50GK103020373SQ20121056505
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者周惦武, 李升 , 喬小杰, 張紅 申請(qǐng)人:湖南大學(xué)