[发明专利]一种多丝埋弧焊数值模拟热源模型参数确定方法

权利要求书

1.一种多丝埋弧焊数值模拟热源模型参数确定方法，其特征包括以下步骤：(一)依多丝埋弧生产工艺特点确定焊接过程中热流密度分布函数q(x，y，z，t)；(二)热源模型参数确定：需要确定的热源参数包括U_i、I_i、v、n、τ_i、η_i、α_i、b_i、c_i、

(三)热源模型的最终确定：热源模型参数确定完成后，将热源模型参数代入热流密度分布函数q(x，y，z，t)，然后用该函数作为数值模拟计算的热学边界条件，利用数值模拟工具进行反复迭代计算，根据每次的计算结果与实际焊接得到的接头熔池形状对比，对热源模型参数b_i、c_i、按照对比结果以5％的幅度进行逐步调整，直到模拟熔池的熔深、熔宽参数与实际接头熔深、熔宽误差小于10％为止，完成多丝埋弧焊热源模型参数的确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于热源模型参数确定的具体方法是：

第1、将每个焊丝处理成一个独立的热源，热源形状采用双椭球模型；考虑到实际焊接过程中不同焊丝间电弧和倾角对熔池深度和长度的影响，对单个焊丝对应的双椭球模型进行修改，热流密度由多个焊丝共同叠加作用形成，确定焊接过程中热流密度分布函数公式如下：

q(x,y,z,t)=Σi=1n63ffi,biηiUiIia(fi,bi)biciππexp{-3[(x2bi2)+((y+v(τi-t)2(a(fi,bi)cosαi)2)+(z2(cicosαi)2)]}---(1)]]>

式中：q(x，y，z，t)为位置(x，y，z)在t时刻的热流密度，式中各参数释义如下表所示；

参数释义表

第2、热源模型参数确定

第2.1、参数U_i、I_i、v、n、α_i通过焊接工艺直接确定，τ_i通过公式S_i/v计算得到，其中S_i为第i根焊丝与第1根焊丝之间的距离，η_i为埋弧焊的热效率，一般取0.85～0.9之间；

第2.2、参数b_i、c_i、的确定，为了工程应用上方便快捷的确定多丝埋弧焊双椭球热源模型参数，将焊丝的电压、电流对熔深、熔宽的影响看成是一种近似的线性关系，这样：

U1b1=U2b2=...=Unbn;]]>I1c1=I2c2=...=Incn---(2)]]>

通过对一组多丝埋弧焊焊缝宏观金相样的几何尺寸测量，获得该组各金相样熔池的熔宽、熔深数据并取其平均值分别记为：B，C；

根据多丝埋弧焊工艺特点，U_n＞U_n-1＞…＞U₁故取b_n＝B/2；I₁＞I₂＞…＞I_n，故取c₁＝C；再通过公式(2)确定b_i，c_i；热源模型长度方向参数通过经验公式确定；

第2.3、为第i根焊丝的双椭球热源前后半椭球的能量分配系数，且ffi+fbi=2,]]>对于埋弧焊工艺，一般取fbi=1.2:1;]]>

第3、各参数确定后，代入焊接热流密度分布函数q(x，y，z，t)，作为数值模拟计算的热学边界条件；

第4、散热边界条件设定：焊接过程中热量散失主要通过热辐射和对流换热方式进行，高温下散失的热量以辐射换热为主，低温则以对流换热为主，埋弧焊对流换热过程中周围介质有埋弧焊焊剂和空气两种，查阅资料确定钢铁材料与大气的对流换热系数一般取为25W/m²℃，管线钢覆盖埋弧焊剂与大气对流换热系数尚无资料报道，本计算过程采用反演法逆推换热系数，最终确定换热系数为2～3W/m²℃，焊剂作用区域根据实际焊接过程埋弧焊焊剂覆盖范围和时间确定；

第5、装卡边界条件设定，在几何模型端面选取不在一条直线上的三点，分别记为点1、点2、点3，点1施加X，Y，Z方向约束；点2施加X，Z方向约束；点3施加Y方向约束；

第6、利用商业化有限元软件对焊接结构进行几何建模和网格划分；

第7、将确定好装卡边界条件、散热边界条件、及初步确定热源模型参数的热源模型加载到划分好网格的焊接结构上，计算温度场；

第8、把首次得到的温度场和实际测量得到的温度场进行比对后，对加载的网格模型及热源模型参数进行逐步调整，调节方式：加大近焊缝区网格密度来提高计算精度，以5％的幅度增大或减小第i根焊丝比例来调节双椭球的能量分配比例，这个步骤反复多次进行，直到模拟熔池的熔深、熔宽参数与实际接头熔深，熔宽误差小于10％为止，完成多丝埋弧焊热源模型参数的确定。