【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及智能制造，具体为基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法。
技术介绍
1、钨极惰性气体保护焊(tungsten inert gas arc welding，tig焊)是一种以非熔化钨电极进行焊接的电弧焊接法。焊接时，由传导通过高度离子化的气体和金属蒸气的电弧作为焊接热源。由于其具有焊接过程稳定、焊接质量高等优点而被广泛应用于航空航天、石油化工和汽车等领域。tig点焊是tig焊接的特殊应用，具有焊接电流小、焊接时间短、熔化区域小等特点，适用于微型零件的精密成形制造。微型零件tig点焊过程中焊接电弧极易受外界因素影响，从而影响焊接质量，因此产品微型化对高精度电弧控形和低损伤电弧控性提出更高要求。
2、目前，tig焊接电弧多物理场的研究包括实验法和数值模拟法。实验研究方法常通过搭建多模态电弧信号检测平台，采集电弧的光、电、声、温度等信号，量化研究等离子体电离信息和电弧能量分布等电弧放电特性；但由于电弧等离子极端的温度条件，实验研究法存在物理参数难以测量、测量成本高等问题。数值模拟方法通过建立的数学模型下模拟电弧等离子体的流场、温度场和热物理参数等信息，但传统数值模拟方法通常采用离线数据仿真，缺乏实时数据和模型相融合驱动下的电弧动态演化模拟，且存在针对复杂多变的环境模型准确性不足的问题。
3、制造业中的数字孪生项目要求构建的数字孪生模型能够准确地反应实际生产过程和全生命周期的运行性能，通过孪生模型进行仿真可以映射物理过程的动态演化行为。使用传统方法进行焊接过程中对多物理场
技术实现思路
1、本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
2、鉴于上述存在的问题，提出了本专利技术。
3、本专利技术实施例的第一方面，提供基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，包括：通过对tig焊接电弧进行磁流体动力学仿真建立孪生机理模块；设计实时信号采集模块，通过电流采样电路、电压采样电路和高射摄影仪采集实时电信号和电弧图像信号；基于pyfluent协同仿真方法融合所述孪生机理模块和所述实时信号采集模块，并构建实时数据驱动的tig焊接电弧数字孪生模型；基于fluent可视化仿真软件和高速摄影采集器设计数字孪生可视化验证平台，通过物理-孪生数据的对比分析，验证所述tig焊接电弧数字孪生模型的高保真性。
4、作为本专利技术所述的基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法的一种优选方案，其中：所述孪生机理模块的建立包括，
5、通过对tig焊接电弧进行磁流体动力学仿真建立孪生机理模块，所述孪生机理模块包括几何模型、物理模型、行为模型和规则模型的构建；
6、其中，所述几何模型使用钨极和保护罩的几何尺寸描述，所述物理模型使用钨极和高纯氩气的热物性参数描述，所述行为模型使用焊接仿真过程中产生的焦耳热、电子焓及热辐射损失描述，所述规则模型使用tig电弧在动量源项作用下所受电磁力来描述。
7、作为本专利技术所述的基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法的一种优选方案，其中：所述实时信号采集模块的设计包括，
8、设计电流采样电路和电压采样电路，采用霍尔电流传感器和霍尔电压传感器分别对电弧负载两端的电流、电压信号进行采样；
9、获得的电流信号经过采样电阻转变为电压信号，经调理电路进行滤波和放大后输入至adc模块，采用高速摄影仪拍摄电弧形貌并通过rs485通信接口传输至数据库。
10、作为本专利技术所述的基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法的一种优选方案，其中：所述孪生机理模块和所述实时信号采集模块的融合包括，
11、基于pyfluent协同仿真方法通过远程访问方式连接fluent内核并对所述fluent内核进行操控，采用c-s结构访问fluent并将划分好的网格导入孪生模型，添加质量守恒方程、动量守恒方程及能量守恒方程，实现所述孪生机理模块和所述实时信号采集模块的融合；
12、在z-r坐标系下，所述质量守恒方程的计算包括，
13、
14、其中，ρ表示惰性保护气体密度，r表示径向坐标，z表示轴向坐标，u表示轴向z速度分量，v表示径向r速度分量；
15、焊接电弧径向动量守恒方程的计算包括，
16、
17、其中，fr表示惰性保护气体的体积力在r方向的分量，p表示电弧等离子体压力，μ表示惰性保护气体黏度；
18、焊接电弧轴向动量守恒方程的计算包括，
19、
20、其中，fz表示惰性保护气体的体积力在z方向的分量；
21、焊接电弧孤立系统的总能量保持不变，系统产生能量源项分别为焦耳热、电子焓及热辐射损失，则焊接电弧能量守恒方程的计算包括，
22、
23、其中，cp表示惰性保护气体的定压比热容，t表示惰性保护气体的体积，k表示惰性保护气体的导热系数。
24、作为本专利技术所述的基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法的一种优选方案，其中：还包括，
25、为求得电弧等离子体运动过程中所受电磁力，定义电势轴向磁矢势az及径向磁矢势ar三个标量，由电流连续性方程中已知的电导率求得电势，再由标量源项中添加欧姆定律电流密度方程，由所述电流密度方程求得磁矢量a和磁感应强度b，进而求得自感电磁力并加载在模型动量源项中；
26、求解电磁场物理量，需引入电流连续方程，表示为：
27、
28、根据欧姆定律可知，电流密度j在轴向与径向上的分量分别表示为：
29、
30、
31、其中，jr表示电流密度在径向上的分量，jz表示电流密度在轴向上的分量，σ表示惰性保护气体电导率；
32、为计算自感应磁场引入磁向量势，其轴向分量az与径向分量ar分别满足：
33、
34、
35、引入轴向分量az与径向分量ar可求得电弧切向感应磁场强度，表示为：
36、
37、其中，bθ表示电弧切向感应磁场强度。
38、作为本专利技术所述的基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法的一种优选方案，其中：所述实时数据驱动的tig焊接电弧数字孪生模型的构建包括，
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【技术保护点】
1.基于PyFluent协同仿真的TIG焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于PyFluent协同仿真的TIG焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于：所述孪生机理模块的建立包括，
3.如权利要求2所述的基于PyFluent协同仿真的TIG焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于：所述实时信号采集模块的设计包括，
4.如权利要求3所述的基于PyFluent协同仿真的TIG焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于：所述孪生机理模块和所述实时信号采集模块的融合包括，
5.如权利要求4所述的基于PyFluent协同仿真的TIG焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于：还包括，
6.如权利要求5所述的基于PyFluent协同仿真的TIG焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于：所述实时数据驱动的TIG焊接电弧数字孪生模型的构建包括，
7.如权利要求6所述的基于PyFluent协同仿真的TIG焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于：包括，
9.一种设备，其特征在于，所述设备包括，
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1～7中任一所述的方法。
...【技术特征摘要】
1.基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于，包括：
2.如权利要求1所述的基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于：所述孪生机理模块的建立包括，
3.如权利要求2所述的基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于：所述实时信号采集模块的设计包括，
4.如权利要求3所述的基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特征在于：所述孪生机理模块和所述实时信号采集模块的融合包括，
5.如权利要求4所述的基于pyfluent协同仿真的tig焊接电弧多物理场数字孪生建模方法，其特...
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