基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法。所述基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法包括如下步骤：简化条件与模型初始化，根据焊接熔池凝固过程的参数构建模型；建立宏观的瞬态传热和生长速度模型，将焊接熔池看作是由两个半椭球组合而成，在焊接过程中，一个所述半椭球处于熔化状态，另一个所述半椭球处于凝固状态，并基于上述假设建立宏观的瞬态传热和生长速度模型；建立微观组织演变模型，基于金兹堡‑朗道理论，建立模拟焊接熔池微观组织演变的相场模型；宏观‑微观耦合计算，将瞬态的温度梯度和枝晶生长速度引入到模型中，计算宏观‑微观的耦合的相场模型，获得焊接熔池微观组织演变模拟结果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法。
技术介绍
焊接接头的性能不仅取决于其宏观缺陷，更主要取决于晶粒尺寸、内部结构等因素。焊缝组织的形成过程复杂，受诸多因素影响。因此，焊缝凝固过程中微观组织演变的研究是一个复杂而重要的领域。而在该领域的研究中，数值模拟正扮演一个越来越重要的角色。传统研究多是建立在试验数据及经验的基础之上，不但研究过程时间漫长，资金花费巨大，而且由于焊缝凝固过程的复杂性而受到一定的限制，往往难以满足不断提高的工艺精度和精确性的要求。随着计算机技术的快速发展以及凝固理论的不断完善，采用数值模拟研究焊接接头微观组织演变过程已经成为可能。利用数值模拟技术研究焊接熔池动态凝固过程的微观组织演变，可以定量地模拟和预测焊接熔池动态凝固过程晶粒形貌变化、晶粒度变化、晶粒分布情况、一次枝晶间距以及二次枝晶间距等凝固特征，实现对焊接熔池凝固过程的完全预测，进而可以有效地分析焊接工艺参数对焊接熔池凝固组织的影响，为确定母材的最佳晶向结构及最佳性能晶粒尺寸等提供依据，最终达到预测、监控和提高焊接接头质量的目的。近些年来，焊接接头性能与组织的模拟已经取得一些可喜的研究成果，在一定程度上预测了焊接熔池微观晶粒长大过程，获得了焊接接头微观组织形貌，为焊接熔池凝固过程微观组织预测奠定了基础。目前，有关焊接熔池凝固微观组织演变的模拟结果，大多数是基于“概率性”的理论方法进行模拟和预测的，缺乏一定的凝固理论基础，同时又不能完全反应焊接熔池动态凝固过程微观组织演变的特点。因此，有必要基于金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)理论，建立可以定量反应焊接熔池微观组织演变规律及特点的动态演变相场模型。
技术实现思路
本专利技术的目的在于基于金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)理论，建立可以定量反应焊接熔池微观组织演变规律及特点的动态演变相场模型，从而提供一种基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法，包括如下步骤：一、简化条件与模型初始化，根据焊接熔池凝固过程参数的构建模型；二、建立宏观的瞬态传热和生长速度模型，将焊接熔池看作是由两个半椭球组合而成，在焊接过程中，一个所述半椭球处于熔化状态，另一个所述半椭球处于凝固状态，并基于上述假设建立宏观的瞬态传热和生长速度模型；三、建立微观组织演变模型，基于金兹堡-朗道理论，建立模拟焊接熔池微观组织演变的相场模型，四、宏观-微观耦合计算，将瞬态的温度梯度和枝晶生长速度引入到模型中，从而计算宏观-微观耦合的相场模型。优选地，在步骤一中，在构建模型的过程引入的假设包括：焊接熔池的熔合线处发生联生结晶，假设计算的初始状态是一个平面晶形态；假设焊接熔池熔合线附近的流场的速度大小为定值，且流场的方向与枝晶的生长方向垂直；模拟计算过程中忽略潜热对微观组织演变过程的影响。优选地，对建立的模型进行相应简化，定义温度场方程、初始溶质场以及区域内初始状。优选地，在步骤二中，设定处于凝固状态的所述半椭球的长边长度为a，短边长度为b，则所述处于凝固状态的半椭球的方程为：假设熔合线上任意点的结晶方向与焊接方向的夹角为α(t)，其随着时间变化，设定晶粒的成长速度为R，焊接速度为v，则R与v的关系是：R＝v[cosα(t)]；设熔合线上任一点到熔池中心处的距离为d(t)，则定义熔合线上任一点的平均温度梯度为：其中，TP是焊接熔池中心处的温度，TL为结晶温度，即熔合线处的温度。d(t)为TP和TL之间的距离；焊接熔池的结晶过程中瞬态的平均温度梯度如下：焊接熔池的结晶过程中瞬态的枝晶生长速度如下：优选地，忽略结晶潜热的影响，定义温度场控制方程：其中，T(Z,t)为温度场分布情况，Z是平行于枝晶生长方向的坐标，t是凝固时间，T0＝T(Z0,0)是参考温度，G(t)是随时间变化的温度梯度，Vp(t')是随时间变化的界面推进速度。优选地，建立的模型中引入一个标量，即参量φ，在凝固过程中，φ＝1和φ＝-1分别代表着固相或者液相，而在固液界面上，φ是一个连续函数，其值从-1连续转变为1；溶质场的溶质浓度通过一个过饱和场U来表达：其中U是一个过饱和的场，k为溶质分配系数，c是溶质溶度分布情况，c∞是远离固液界面的液相中平衡溶度；包含相场参量φ的相场方程如下：其中，W是界面厚度，τ0是弛豫时间，lT凝固区间长度，是各向异性函数；优选地，考虑流场对溶质扩散的影响，建立的溶质场方程如下：其中V代表流场的流速，jat是溶质截流项。溶质截流项jat的表达式如下：流场方程如下：其中p是压强，ρ0是熔融液体密度，μ是粘度，是单位体积耗散界面力。优选地，所述步骤四具体包括如下步骤：通过步骤二计算出瞬态的温度梯度和枝晶生长速度，然后将瞬态的温度梯度和生长速度带入到微观相场模型模拟熔池的凝固过程；通过步骤三计算出焊接熔池熔合线附近流场分布情况，然后利用流场计算结果计算熔池溶质场分布情况，最后利用溶质场计算结果、瞬态的温度场和生长速度结果，求解相场参量变化；相场参量的变化代表了固液界面的移动，最后形成不同的枝晶生长过程、溶质溶度分布和流场分布情况，并计算出的相场变量对下一个时间步的熔池场分布和流场分布产生影响；以上计算过程将在每个时间步进行一次直到计算结束。优选地，步骤四之后还包括步骤五：模拟计算与结果的导出，基于上述耦合流场的相场模型编写计算机程序，可以获得并导出枝晶生长与演变结果。本专利技术的有益效果在于：所述基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法可以模拟焊接过程枝晶与流场耦合生长模型，能够定量地进行焊接熔池凝固过程枝晶生长演变模拟，动态的再现焊接冷却过程的组织形态变化，准确描述流场对焊接熔池内枝晶生长的影响，有助于深化理解焊接微观组织演变过程，为微观组织演变研究及优化焊接工艺奠定了基础。。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法的流程框图；图2是图1所示基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法所涉及的焊接熔池的结构示意图；图3是焊接熔池枝晶生长情况模拟结果示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。除非上下文另有特定清楚的描述，本专利技术中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本专利技术并不对此进行限定。本专利技术中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。针对焊接熔池结晶特点，本专利技术提供一种基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法。所述模拟方法可以建立一种二维的焊接熔池枝晶生长数学模型。在本实施例中，所述模拟方法基于相场方法进行模拟条件简化，建立宏观传热、生长速度模型和微观组织演变模型，将宏观模型与微观模型进行耦合叠加并对状态、时间和区域进行离散，并在每个时间步进行计算、更新与计算结果的导出并随之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：一、简化条件与模型初始化，根据焊接熔池凝固过程的参数构建模型；二、建立宏观的瞬态传热和生长速度模型，将焊接熔池看作是由两个半椭球组合而成，在焊接过程中，一个所述半椭球处于熔化状态，另一个所述半椭球处于凝固状态，并基于上述假设建立宏观的瞬态传热和生长速度模型；三、建立微观组织演变模型，基于金兹堡‑朗道理论，建立模拟焊接熔池微观组织演变的相场模型，四、宏观‑微观耦合计算，将瞬态的温度梯度和枝晶生长速度引入到模型中，从而计算宏观‑微观耦合的相场模型。

【技术特征摘要】
1.一种基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法，其特征在于：包括如下步骤：一、简化条件与模型初始化，根据焊接熔池凝固过程的参数构建模型；二、建立宏观的瞬态传热和生长速度模型，将焊接熔池看作是由两个半椭球组合而成，在焊接过程中，一个所述半椭球处于熔化状态，另一个所述半椭球处于凝固状态，并基于上述假设建立宏观的瞬态传热和生长速度模型；三、建立微观组织演变模型，基于金兹堡-朗道理论，建立模拟焊接熔池微观组织演变的相场模型，四、宏观-微观耦合计算，将瞬态的温度梯度和枝晶生长速度引入到模型中，从而计算宏观-微观耦合的相场模型。2.根据权利要求1所述的基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法，其特征在于：在步骤一中，在构建模型的过程引入的假设包括：焊接熔池的熔合线处发生联生结晶，假设计算的初始状态是一个平面晶形态；假设焊接熔池熔合线附近的流场的速度大小为定值，且流场的方向与枝晶的生长方向垂直；模拟计算过程中忽略潜热对微观组织演变过程的影响。3.根据权利要求2所述的基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法，其特征在于：对建立的模型进行相应简化，定义温度场方程、初始溶质场以及区域内初始状态。4.根据权利要求1所述的基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法，其特征在于：在步骤二中，设定处于凝固状态的所述半椭球的长边长度为a，短边长度为b，则所述处于凝固状态的半椭球的方程为：x2a2+y2b2=1,(0≤x≤a,0≤y≤b),]]>假设熔合线上任意点的结晶方向与焊接方向的夹角为α(t)，其随着时间变化，设定晶粒的成长速度为R，焊接速度为v，则R与v的关系是：R＝v[cosα(t)]；设熔合线上任一点到熔池中心处的距离为d(t)，则定义熔合线上任一点的平均温度梯度为：G(t)=TP-TLd(t),]]>其中，TP是焊接熔池中心处的温度，TL为结晶温度，即熔合线处的温度；d(t)为TP和TL之间的距离；焊接熔池的结晶过程中瞬态的平均温度梯度如下：G(t)=TP-TL(vt)2+b2(1-(vt)2a2),]]>焊接熔池的结晶过程中瞬态的枝晶生长速度如下：R(t)=bv2ta4+(vt)2(b2-a2).]]>5.根据权利要求1所述的基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法，其特征在于：在步骤三中，忽略结晶潜热的影响，定义温度场控制方程：T(Z,t)=T0+G(t)(Z-Z0-∫0tVp(t′)dt′)]]>其中，T(Z,t)为温度场分布情况，Z是平行于枝晶生长方向的坐标，t是凝固时间，T0＝T(Z0,0)是参考温度，G(t)是随时间变化的温度梯度，Vp(t')是随时间变化的界面推进速度。6.根据权利要求5所述的基于相场法的瞬态下焊接过程微观组织演变模拟方法，其特征在于：建立的模型中引入一个标量，即参量φ，在凝固过程中，φ＝1和φ＝-1分别代表着固相或者液相，而在固液界面上，φ是一个连续函数，其值从-1连续转变为1；溶质场的溶质浓度通过一个过饱和场U来表达：...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏艳红，王磊，刘仁培，余枫怡，刘景涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32