一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法技术

本发明专利技术公开了激光焊接技术领域的一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，旨在解决现有技术中进行焊接仿真时热源校核周期长、模拟熔池与实际熔池形状吻合度不高的技术问题。所述方法包括步骤：获取实际熔池参数；基于预构建的任两个组成热源之间的能量分配系数模型构建激光电弧复合热源模型，基于激光电弧复合热源模型获取模拟熔池参数，将模拟熔池参数与所述实际熔池参数进行比对，获取模拟熔池相对于实际熔池的吻合度，判断所述吻合度是否达到预设阈值，调整热源参数，将吻合度达到预设阈值时的激光电弧复合热源模型作为激光电弧复合热源的最终模型。

【技术实现步骤摘要】
一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法
本专利技术涉及一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，属于激光焊接

技术介绍
随着计算仿真技术的迅猛发展，焊接仿真技术也逐渐引起人们注意，越来越多的工程师通过仿真技术来研究焊接的过程与现象，进而优化焊接工艺，以期有效控制焊接变形和焊接缺陷。目前，关于焊接的仿真技术还不够成熟，存在诸如热源校核周期长、模拟得到熔池形状与实际熔池形状吻合度不高等技术问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，以解决现有技术中进行焊接仿真时热源校核周期长、模拟熔池与实际熔池形状吻合度不高的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，包括步骤：获取实际熔池参数；基于预构建的任两个组成热源之间的能量分配系数模型构建激光电弧复合热源模型，所述组成热源为组成激光电弧复合热源的热源之一，所述能量分配系数模型的变量包括热源参数；基于激光电弧复合热源模型获取模拟熔池参数，将模拟熔池参数与所述实际熔池参数进行比对，获取模拟熔池相对于实际熔池的吻合度，判断所述吻合度是否达到预设阈值；响应于所述吻合度未达到预设阈值，则调整热源参数，然后重复模拟熔池及其相对于实际熔池的吻合度的获取过程，并重新判断所述吻合度是否达到预设阈值；响应于所述吻合度达到预设阈值，则将相应热源参数下的激光电弧复合热源模型作为激光电弧复合热源的最终模型。进一步地，所述组成热源包括一个用来表示电弧的双椭球热源和两个用来表示激光的圆柱体热源，双椭球热源作用于激光电弧复合热源作用区域的上半部分，圆柱体热源作用于激光电弧复合热源作用区域的下半部分。进一步地，所述热源参数包括双椭球热源的形状参数、圆柱体热源的半径、双椭球热源的有效作用深度、圆柱体热源的有效作用深度中的至少任一项。进一步地，双椭球热源模型，其表达式如下：式中，q1(x,y,z)为双椭球热源模型的热流密度函数，x为双椭球热源模型在空间坐标系x方向上的坐标值，y为双椭球热源模型在空间坐标系y方向上的坐标值，z为双椭球热源模型在空间坐标系z方向上的坐标值，A1为双椭球热源的能量系数，f1(x,y,z)为双椭球热源的形函数，a、b、c为双椭球热源的形状参数，h1为双椭球热源的有效作用深度，Q1为双椭球热源的有效功率，Q1＝η1P1，η1为双椭球热源的功率有效系数，P1为双椭球热源的实际功率，β为电弧主轴与x方向的夹角，γ为电弧主轴与y方向的夹角，θ为电弧主轴与z方向的夹角。进一步地，圆柱体热源模型，其表达式如下：式中，qi+1(x,y,z)为第i个圆柱体热源模型的热流密度函数，x为圆柱体热源模型在空间坐标系x方向上的坐标值，y为圆柱体热源模型在空间坐标系y方向上的坐标值，z为圆柱体热源模型在空间坐标系z方向上的坐标值，Ai+1为第i个圆柱体热源的能量系数；fi+1(x,y,z)为第i个圆柱体热源的形函数；hi+1为第i个圆柱体热源的有效作用深度，ri为第i个圆柱体热源的半径，Qi+1为第i个圆柱体热源的有效功率，Qi+1＝ηi+1Pi+1，ηi+1为第i个圆柱体热源的功率有效系数，Pi+1为第i个圆柱体热源的实际功率，R(z)为两个圆柱体热源的热流分布函数。进一步地，激光电弧复合热源模型，其表达式如下：当0≤z≤h1时，当h1≤z≤h1+h2时，当h1+h2≤z≤h1+h2+h3时，式中，q(x,y,z)为激光电弧复合热源模型的热流密度函数，x为激光电弧复合热源模型在空间坐标系x方向上的坐标值，y为激光电弧复合热源模型在空间坐标系y方向上的坐标值，z为激光电弧复合热源模型在空间坐标系z方向上的坐标值，h1为双椭球热源的有效作用深度，h2为第1个圆柱体热源的能量系数，h3为第2个圆柱体热源的能量系数，Q1为双椭球热源的有效功率，Q2为第1个圆柱体热源的有效功率，Q3为第2个圆柱体热源的有效功率，β为电弧主轴与x方向的夹角，γ为电弧主轴与y方向的夹角，θ为电弧主轴与z方向的夹角，a、b、c为双椭球热源的形状参数，r1为第1个圆柱体热源的半径，r2为第2个圆柱体热源的半径，R(z)为两个圆柱体热源的热流分布函数，f1为根据电弧与激光相互作用关系构建的双椭球热源的能量分配系数，f2为根据激光与电弧相互作用关系构建的第一个圆柱体热源的能量分配系数，f3为根据激光与激光相互作用关系构建的第二个圆柱体热源的能量分配系数。进一步地，能量分配系数模型，其表达式如下：进一步地，所述激光电弧复合热源包括激光-MIG复合热源。与现有技术相比，本专利技术所达到的有益效果：根据电弧与激光的相互作用机理，基于能量分配系数模型构建激光电弧复合热源模型，利用激光电弧复合热源模型模拟熔池参数，将模拟熔池参数与实际熔池参数进行比对以获取吻合度，并可通过调整能量分配系数模型中的热源参数来调整该吻合度，提取吻合度达到预设阈值是的激光电弧复合热源模型作为最终模型。由于激光电弧复合热源模型基于能量分配系数模型加以构建，在进行热源校核时，将包括热源模型尺寸等在内的热源参数作为初始值输入能量分配系数模型，再将能量分配系数模型导入激光电弧复合热源模型中，再对比经由数值计算得到的模拟熔池与实际工件熔池的形状，只需微调能量输入值等相关热源参数即可实现基本吻合，而无需繁琐地进行多次调整，极大地缩短了复合热源的校核周期，进而缩短了整个焊接仿真模拟的耗时。附图说明图1是本专利技术方法实施例的流程示意图；图2是本专利技术方法实施例中激光电弧复合热源模型的组成示意图；图3是本专利技术方法实施例中复合焊焊接接头网格模型示意图；图4是本专利技术方法实施案例一中实验焊缝与本专利技术方法所得模拟焊缝的截面形貌对比示意图；图5是本专利技术方法实施案例二中实验焊缝与本专利技术方法所得模拟焊缝的截面形貌对比示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术具体实施方式提供了一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，如图1所示，本专利技术方法实施例的流程示意图，基本技术思路如下：首先，获取实际熔池参数；然后，根据激光电弧复合热源在金属中的作用区域，将电弧用双椭球热源模型来表示，激光用两个圆柱体热源模型来表示，基于电弧与激光的相互作用机理，得到双椭球热源与两个圆柱体热源的能量分配系数模型，该能量分配系数模型的变量中设有若干热源参数；然后，基于能量分配系数模型构建激光电弧复合热源的初始模型，基于激光电弧复合热源的初始模型可以模拟获取熔池，从而获取模拟熔池参数；接着，将获取的模拟熔池参数与实际熔池参数进行比较，获取模拟熔池相对于实际熔池的吻合度。通过调整能量分配系数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，其特征是，包括步骤：/n获取实际熔池参数；/n基于预构建的任两个组成热源之间的能量分配系数模型构建激光电弧复合热源模型，所述组成热源为组成激光电弧复合热源的热源之一，所述能量分配系数模型的变量包括热源参数；/n基于激光电弧复合热源模型获取模拟熔池参数，将模拟熔池参数与所述实际熔池参数进行比对，获取模拟熔池相对于实际熔池的吻合度，判断所述吻合度是否达到预设阈值；/n响应于所述吻合度未达到预设阈值，则调整热源参数，然后重复模拟熔池及其相对于实际熔池的吻合度的获取过程，并重新判断所述吻合度是否达到预设阈值；/n响应于所述吻合度达到预设阈值，则将相应热源参数下的激光电弧复合热源模型作为激光电弧复合热源的最终模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，其特征是，包括步骤：
获取实际熔池参数；
基于预构建的任两个组成热源之间的能量分配系数模型构建激光电弧复合热源模型，所述组成热源为组成激光电弧复合热源的热源之一，所述能量分配系数模型的变量包括热源参数；
基于激光电弧复合热源模型获取模拟熔池参数，将模拟熔池参数与所述实际熔池参数进行比对，获取模拟熔池相对于实际熔池的吻合度，判断所述吻合度是否达到预设阈值；
响应于所述吻合度未达到预设阈值，则调整热源参数，然后重复模拟熔池及其相对于实际熔池的吻合度的获取过程，并重新判断所述吻合度是否达到预设阈值；
响应于所述吻合度达到预设阈值，则将相应热源参数下的激光电弧复合热源模型作为激光电弧复合热源的最终模型。


2.根据权利要求1所述的基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，其特征是，所述组成热源包括一个用来表示电弧的双椭球热源和两个用来表示激光的圆柱体热源，双椭球热源作用于激光电弧复合热源作用区域的上半部分，圆柱体热源作用于激光电弧复合热源作用区域的下半部分。


3.根据权利要求2所述的基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，其特征是，所述热源参数包括双椭球热源的形状参数、圆柱体热源的半径、双椭球热源的有效作用深度、圆柱体热源的有效作用深度中的至少任一项。


4.根据权利要求2所述的基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，其特征是，双椭球热源模型，其表达式如下：



式中，q1(x,y,z)为双椭球热源模型的热流密度函数，x为双椭球热源模型在空间坐标系x方向上的坐标值，y为双椭球热源模型在空间坐标系y方向上的坐标值，z为双椭球热源模型在空间坐标系z方向上的坐标值，A1为双椭球热源的能量系数，f1(x,y,z)为双椭球热源的形函数，a、b、c为双椭球热源的形状参数，h1为双椭球热源的有效作用深度，Q1为双椭球热源的有效功率，Q1＝η1P1，η1为双椭球热源的功率有效系数，P1为双椭球热源的实际功率，β为电弧主轴与x方向的夹角，γ为电弧主轴与y方向的夹角，θ为电弧主轴与z方向的夹角。


5.根据权利要求2所述的基于能量分配系数的激光电弧复合热源的建模方法，其特征是，圆柱体热源模型，其表达式如下：



式中，qi+1...

【专利技术属性】
技术研发人员：严春妍，张浩，朱子江，易思，黄晏程，侯佳兵，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32