[发明专利]基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法及系统，属于焊接加工领域，该方法包括：步骤1，基于焊缝图像获得轮廓线，拟合成函数曲线；步骤2，基于函数曲线建立焊缝形貌的三维几何模型，在该三维几何模型中划分温度场单元，设定焊接材料的热物性参数、热输入及边界加载量，从而获得瞬态温度场；步骤3，从三维几何模型中选择应力场单元，设定焊接材料的力学物性参数，并将瞬态温度场的参数加载到应力场单元对应的节点上，得到瞬态应力和变形分布。本发明的系统包括执行如上方法的模块。本发明通过图像提取及拟合精确模拟温度场，有效解决非均匀温度场模拟精度差问题，保障焊接过程应力变形的准确模拟计算。

技术领域

本发明属于焊接加工领域，更具体地，涉及一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法及系统。

背景技术

目前，熔焊(激光焊、电弧焊、电子束焊等)是复杂结构件制造重要工艺之一，已广泛应用到了航空、航天、海洋、能源等众多领域。焊接过程中，热源及附近快速加热至熔化，对周围固态金属产生挤压作用；热源过后的焊缝冷却过程中，对周围固态金属产生拉伸作用。焊缝快速熔凝过程所引起局部挤压效应，导致焊缝及周围内部产生内部力学不平衡行为，必然引起应力变形，严重影响了焊接成形质量及其后期服役性能。

为此，国内外众多研究人员通常采用热弹塑性有限元方法进行焊接过程瞬态热应力变形数值模拟计算，为低应力变形焊接制造提供指导。在整个数值模拟计算过程中，主要涉及温度场和应力场的间接耦合求解，即先完成温度场计算，然后将瞬态温度作为单元载荷加载以完成应力场的模拟。显然地，温度场模拟精度直接决定了后续应力场准确性问题。

目前，焊接温度场模拟主要包括以下两个途径：

(1)解析法，即直接根据热输入量、焊接速度、焊接试样尺寸等关键参数推导出温度数值；

(2)数理模型(高斯面热源、双椭球高斯体热源、椎体热源、旋转高斯体热源及其复合热源等)，即根据不同焊接方法选择不同的热流密度分布函数并加载到焊接试样模型上，然后利用傅里叶热传导定律求解出。随着有限元软件的日益成熟和计算硬件性能提升，计算量较大但计算精度更高的数理模型获得了广泛应用。

然而，上述两种热源计算方法均为常规的数学模型形式，只能模拟对称的温度场。在具有颈缩的全熔透焊场景中，由于能量分布不均匀导致颈缩，形成两端粗中间细的焊缝温度场；另外，在异种材料焊接场景中，由于材料种类不同，传热性能不同，导致焊缝两侧温度场不对称。

因此，上述两种热源计算方法均不能精准模拟具有颈缩的全熔透焊和异种材料焊接的温度场，难以保障焊接过程应力变形的准确模拟计算。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法及系统，其目的在于通过图像提取及拟合精确模拟温度场，从而有效解决以具有颈缩特征的全熔透焊和异种材料焊接的温度场模拟精度差问题，保障焊接过程应力变形的准确模拟计算。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于焊缝图像提取拟合的焊接应力变形预测方法，包括如下步骤：

步骤1：基于焊缝实际形貌获得焊缝图像，从中提取焊缝区与母材区交界处的轮廓线，并将该交界处的轮廓线拟合成函数曲线；

步骤2：基于步骤1得到的函数曲线建立焊缝形貌的三维几何模型，在该三维几何模型中划分温度场单元，设定焊接材料的热物性参数、热输入及边界加载量，从而获得瞬态温度场；

步骤3：从步骤2建立的三维几何模型中选择应力场单元，设定焊接材料的力学物性参数，并将瞬态温度场的参数加载到应力场单元对应的节点上，得到瞬态应力和变形分布。

进一步地，步骤1包括如下子步骤：

1.1根据焊缝实际形貌，获得焊缝横截面的光学显微图像；