[发明专利]一种适合于复杂大构件的热源加载方法及系统

说明书

本发明公开了一种适合于复杂大构件的热源加载方法，包括构建典型接头的热弹塑性有限元模型，确定焊缝中心位置的热循环曲线；将热循环曲线按实际焊接过程在时间上进行缩放，获得作为焊接热源的热循环曲线；将热弹塑性有限元模型中的多道焊缝等效为一道焊缝，加载作为焊接热源的热循环曲线。同时公开了相应的系统。本发明利用典型接头模拟得到的热循环曲线为基础，计算出作为焊接热源的热循环曲线，然后将模型中的多条(n条)焊缝等效为一道焊缝，加载作为焊接热源的热循环曲线，所需的时间为原来的1/n，这对于庞大的复杂构件，可以在模拟过程大大减少计算时间，提高效率。

技术领域

本发明涉及一种适合于复杂大构件的热源加载方法及系统，属于有限元模拟热源加载领域。

背景技术

近年来，轨道交通事业的发展促进了轨道车辆加工工艺的进步与完善。轨道车辆车体结构件(如前端、底架、侧墙等)具有形状复杂、结构尺寸大、表面质量要求严格等特点，其大部分都是由铝合金厚板焊接而成的。这些复杂结构件的焊接工序复杂、繁多，焊缝分布不规律以及铝合金自身材料特点，导致焊接过程容易产生较大的焊接应力和变形，尤其是铝合金厚板多层多道焊接。焊接缺陷的矫正费时耗力、成本极高且效果并不显著，这对车体结构强度、车辆运营安全及产品生产周期影响较大。随着计算机技术及焊接数值模拟的发展，采用有限元方法对轨道类复杂构件进行焊接过程模拟仿真，实现焊接工序和工艺参数的优化，可大大降低成本，提高效率。因此，采用有限元数值模拟方法进行焊接工艺设计优化是解决焊接问题的重要方法。

焊接过程有限元数值模拟方法的一般步骤包括几何建模、网格划分、材料参数加载、焊接路径定义、边界条件及热源模型定义、计算求解等过程。其中热源模型是数值模拟的基础，建立精确的热源模型可以提高焊接温度场和应力场的模拟精度，然而过于复杂的热源模型又会导致计算量过大、误差增大等情况。直接利用传统的热源加载方法对复杂大构件进行数值模拟时，计算量庞大且对模型的网格划分方式有一定的要求，这都将使整个模拟过程所需的时间长达半年甚至一年。

发明内容

本发明提供了一种适合于复杂大构件的热源加载方法及系统，解决了背景技术中披露的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种适合于复杂大构件的热源加载方法，包括，

构建典型接头的热弹塑性有限元模型，确定焊缝中心位置的热循环曲线；

将热循环曲线按实际焊接过程在时间上进行缩放，获得作为焊接热源的热循环曲线；

将热弹塑性有限元模型中的多道焊缝等效为一道焊缝，加载作为焊接热源的热循环曲线。

构建典型接头的热弹塑性有限元模型，加载双椭球热源，确定焊缝中心位置的热循环曲线。

构建典型接头的热弹塑性有限元模型，加载双椭球热源，确定焊缝中心位置的热循环曲线，具体过程为，

构建典型接头的热弹塑性有限元模型，并加载双椭球热源；

将模拟的熔池截面与实际焊缝形貌进行对比，校核热源，获得双椭球热源参数；

基于双椭球热源，求解焊缝导热偏微分方程，得到焊缝中心位置的热循环曲线。

缝中心位置的热循环曲线方程为，

其中，Q为双椭球热源强度，T为温度，c为焊接母材比热容，ρ焊接母材的密度，x、y、z为求解域内直角坐标系中任一点，kx、ky、k_z为被焊金属材料在x、y,、z方向的热传导系数。

将热循环曲线按实际焊接过程在时间上进行缩放，使热循环曲线上的时间与实际焊接过程中相应的时间对应，获得作为焊接热源的热循环曲线。