[发明专利]激光焊接瞬态温度场及应力场数值计算方法及系统

说明书

本发明涉及激光焊接修复领域，提供一种激光焊接瞬态温度场及应力场数值计算方法及系统，包括：获取待焊接样件的性能参数、激光修复的工艺参数和激光扫描路径；通过无网格伽辽金法，结合所述性能参数、所述工艺参数和所述激光扫描路径计算获得温度场集合、应力场集合和位移场集合。本发明将工艺参数进行定性和定量表达，方便计算，大大降低试验成本，提高工作效率；对熔池区域的材料性能参数重新设置，使得温度场及应力场的计算结果更加精确；在权函数的一阶导数和一阶偏导数计算过程中采用前向差分法，避免了推导求导公式时产生的错误；采用无网格法对温度场及应力场进行计算，计算精度更高，且不需要对网格进行重构，降低了计算复杂度。

技术领域

本发明涉及激光焊接修复领域，尤其涉及一种激光焊接瞬态温度场及应力场数值计算方法及系统。

背景技术

现有技术中，基于网格的数值计算方法，主要包括有限元法、有限体积法、有限差分法等，在工程领域已经引起了广泛的关注，主流的科学问题和工程设计方法都是基于这几种常用的数值计算方法。

但是现有的这些方法在处理大变形、裂纹动态扩展、混合相等复杂工程问题时，仍然存在网格划分困难、计算精度低等问题。并且在焊接过程中，激光中心区域由于吸收大部分能量，温度升高至熔点以上，形成熔池，导致该部分材料参数奇异，致使温度场及应力场的计算并不精确。

上述内容仅用于辅助理解本发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种激光焊接瞬态温度场及应力场数值计算方法，包括：

S1：获取待焊接样件的性能参数、激光修复的工艺参数和激光扫描路径；

S2：通过无网格伽辽金法，结合所述性能参数、所述工艺参数和所述激光扫描路径计算获得温度场集合、应力场集合和位移场集合。

优选的，所述性能参数包括：

待焊接样件的尺寸、焊接坐标轴、所述焊接坐标轴方向上的节点数目和所述焊接坐标轴方向上的节点数目；

待焊接样件的材料密度、弹性模量、熔点、导热系数、定压比热、热膨胀系数和泊松比；

所述工艺参数包括：激光光斑半径、激光扫描速度、激光功率和吸收率；

所述激光扫描路径包括：激光中心位置集合、激光功率集合和运行步数总数。

优选的，步骤S2具体为：

S21：构建高斯积分网格和二维高斯节点；计算域高斯节点集合表示为，是一个包含高斯积分网格内所有高斯节点的矩阵；

S22：根据待焊接样件的形状生成计算域，在计算域内生成计算节点，是一个包含所有计算节点的矩阵，在所述计算节点内将所述温度场节点的初始值设置为，将所述位移场节点的初始值设置为；

S23：获取第步的激光中心位置和激光功率；的初始值为0，最大值为；

S24：通过激光光源中心坐标和光斑半径计算获得第步的热源场节点，通过所述热源场节点计算获得第步的外部热流量矩阵；

S25：计算获得第步的等效热传导系数矩阵和定压比热矩阵，通过、和计算获得第步的温度场节点，通过计算获得第步的温度场；

S26：通过第步的温度场和第步的温度场，计算获得第步的刚度矩阵和热应力矩阵，通过和计算获得第步的位移场节点值；

S27：计算获得第步的应力场和位移场，令；

S28：重复步骤S23至S27共次，获得从第1步至第步所有的温度场、应力场和位移场，将所有的温度场记为所述温度场集合，将所有的应力场记为所述应力场集合，将所有的位移场记为所述位移场集合。

优选的，步骤S21中所述高斯积分网格的表达式为：

其中，表示高斯积分网格中高斯节点的坐标，表示高斯节点对应的权重，取值范围为。