一种多层多道焊仿真方法、装置、设备及存储介质与流程

本发明涉及焊接数值模拟技术领域，具体而言，涉及一种多层多道焊仿真方法、装置、设备及存储介质。

背景技术：

厚板结构件在焊接工业生产中具有非常重要的地位，被广泛应用于国防、建筑、水利、交通、造船、大型压力管道等重工业部门。在厚板焊接过程中，考虑到焊接熔深及熔宽尺寸参数的局限性，一般采用多层多道焊方法进行施焊。

多层多道焊的工艺参数和条件通常十分复杂，焊道数目可多达上百条，给工艺仿真建模带来了非常大的困难和非常多的工作量。目前，多层多道焊仿真建模技术存在以下几个关键问题：一是坡口定义困难，不能进行可视化定义和修改；二是仿真中的单元激活形式单一，且不能切换，无法满足工程实际中多样化的仿真的需求；三是换热边界条件设置十分复杂，给仿真技术在工程技术中应用带来了很大的阻碍。因此，必须设计并实现一种能够快速，简洁并且与工程实际紧密结合的多层多道焊仿真方法，为研发和工程人员进行厚板结构件的焊接仿真提供更佳的手段，提升厚板焊接制造的技术水平。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种多层多道焊仿真方法、装置、设备及存储介质，以改善现有技术中多层多道焊仿真繁琐、复杂的问题。

本发明实施例提供了一种多层多道焊仿真方法，包括以下步骤：

获取待焊工件的有限元模型；

获取自定义的坡口尺寸参数，以在所述有限元模型上生成坡口几何模型；

获取基于所述坡口几何模型进行参数化设定的焊接路径和与所述焊接路径相匹配的焊接工艺参数；

基于所述焊接路径、焊接工艺参数和预先设定的单元激活方式激活所述坡口几何模型内的有限元网格；

获取基于边界条件选项和单元激活过程自适应生成的换热边界条件；

基于所述换热边界条件进行温度场和力学场的顺序耦合计算，以获取温度场和应力场分布。

优选地，所述获取待焊工件的有限元模型，具体包括：

获取待焊工件的几何模型；

基于网络疏密过渡的方法对所述几何模型进行网格划分，以获取有限元模型。

优选地，所述坡口尺寸参数包括以下至少之一：

坡口角度α、坡口面角度β、根部间隙b、钝边厚度p、根部半径r，顶部宽度w1，底部宽度w2。

优选地，所述获取自定义的坡口尺寸参数，以在所述有限元模型上生成坡口几何模型，具体包括：

获取焊接坡口标志线和坡口尺寸参数；其中，所述坡口尺寸参数经导入或手动输入；

基于所述坡口尺寸参数在所述坡口标志线处生成坡口几何模型；其中，所述坡口几何模型可进行可视化查看或编辑。

优选地，所述单元激活方式包括：

随着热源移动，激活热源前端一个预设长度的单元；

将每一焊道分段，逐段激活焊道内单元；

逐道激活焊道内的单元；或者，

逐层激活焊层内的单元。

优选地，所述边界条件选项包括：

换热边界的类型、边界条件自适应的程度或边界条件自适应更新的频率。

优选地，基于所述换热边界条件进行温度场和力学场的顺序耦合计算，以获取温度场和应力场分布之后，还包括：

采用焊接模拟软件或开源可视化程序对仿真模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理。

本发明实施例还提供了一种多层多道焊仿真装置，包括：

有限元模型获取单元，用于获取待焊工件的有限元模型；

坡口几何模型获取单元，用于获取自定义的坡口尺寸参数，以在所述有限元模型上生成坡口几何模型；

焊接参数获取单元，用于获取基于所述坡口几何模型进行参数化设定的焊接路径和与所述焊接路径相匹配的焊接工艺参数；

激活单元，用于基于所述焊接路径、焊接工艺参数和预先设定的单元激活方式激活所述坡口几何模型内的有限元网格；

换热边界条件获取单元，用于获取根据边界条件选项和单元激活过程自适应生成的换热边界条件；

温度场和应力场获取单元，用于基于所述换热边界条件进行温度场和力学场的顺序耦合计算，以获取温度场和应力场分布。

本发明实施例还提供了一种多层多道焊仿真设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的多层多道焊仿真方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上所述的多层多道焊仿真方法。

本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明提供的多层多道焊仿真方法，通过自定义坡口参数，可以获取对坡口定义的参数化和可视化选择，能够在图形化界面中获取对坡口的形状和位置的编辑和修改，能够同时处理多个坡口，极大地降低了坡口建模的难度，使研发和工程人员能够处理复杂结构的多样坡口的建模。

(2)本发明提供的多层多道焊仿真方法，提供了焊缝路径的参数化定义选择和多种单元激活方式选项，支持对于复杂多层多道焊问题的不同程度的简化计算，以实现不同程度的精度与计算效率的获得，方便研发与工程人员在仿真建模中按照实际的需求进行模型的调整。

(3)本发明通过设置边界条件选项，对边界条件进行若干约束，实现了换热边界条件的自适应生成，避免了在单元激活过程中对换热边界条件进行冗繁的设置，在设定的模型下能够与实际工艺进行更好的匹配。

(4)本发明通过采用焊接模拟软件或开源可视化程序对仿真模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理，使得分析人员利用计算机便可获取多层多道焊的仿真建模信息和计算结果，为设计和优化工艺参数提供参考，为焊接工艺制定，焊接结构完整性评估提供了重要工具。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的多层多道焊仿真方法的流程示意图；

图2为本发明第一实施例中有限元模型的结构示意图；

图3为本发明第一实施例中坡口形状的结构示意图；

图4为本发明第一实施例中坡口几何模型的示意图；

图5为本发明第一实施例中焊道设计过程的示意图；

图6为本发明第一实施例中焊缝区和母材区的划分示意图；

图7为本发明第一实施例中逐道激活焊道内的单元的示意图；

图8为本发明第一实施例中网格的激活过程的示意图；

图9-11为本发明第一实施例温度场和应力场分析计算结果的示意图；

图12为本发明第二实施例提供的多层多道焊仿真装置的结构示意图；

图标：201-有限元模型获取单元；202-坡口几何模型获取单元；203-焊接参数获取单元；204-激活单元；205-换热边界条件获取单元；206-温度场和应力场获取单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

实施例中提及的“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

如图1所示，本发明第一实施例提供了一种多层多道焊仿真方法，其可由多层多道焊仿真设备来执行，具体的，可由该设备内一个或多个处理器来执行，包括以下步骤：

s101，获取待焊工件的有限元模型。

在本实施例中，所述获取待焊工件的有限元模型，具体包括以下步骤：

s1011，获取待焊工件的几何模型；

s1012，基于网络疏密过渡的方法对所述几何模型进行网格划分，以获取有限元模型。

在本实施例中，有限元模型的建立可采用实体建模方式：首先，根据焊接工件的实测尺寸，利用三维绘图软件建立焊接工件的实体几何模型。然后，根据仿真精度要求、计算效率和实体模型的尺寸特别是最小型面的尺寸确定合适的网格密度，利用网格划分软件对所述实体几何模型进行网格划分。

其中，网格划分时可以采用网格疏密过渡的方法在一个有限元模型中布置粗细不同的网格，例如可以使用主-从边界法、特殊单元法、位移函数法等等。为了保证一定的计算精度，同时提高计算效率，需要预先确定单元类型以及各基本区域的单元尺寸，建模时孔周围要有一套比较致密的网格，其他部分则采用较稀疏的网格，网格疏密均匀过渡，得到有限元模型如图2所示。

s102，获取自定义的坡口尺寸参数，以在所述有限元模型上生成坡口几何模型。

其中，坡口形状示意图如图3所示，坡口几何模型如图4所示，所述坡口尺寸参数包括以下至少之一：坡口角度α、坡口面角度β、坡口深度δ、根部间隙b、钝边厚度p、根部半径r，顶部宽度w1，底部宽度w2。

需要说明的是，在本实施例中，所述坡口尺寸参数还可以包括其他尺寸参数，可在前处理用户界面上进行可视化设计，在仿真软件中，通过获取坡口尺寸参数自适应生成坡口，不仅实现了对坡口定义的参数化和可视化选择，还能够同时处理多个坡口，极大地降低了坡口建模的难度，使研发和工程人员能够处理复杂结构的多样坡口的建模。

s103，获取基于所述坡口几何模型进行参数化设定的焊接路径和与所述焊接路径相匹配的焊接工艺参数。

在本实施例中，如图5所示为焊道设计过程示意图，所述焊接路径包括焊缝金属填充顺序、焊枪的移动方向、焊接顺序、焊枪的起始及终止位置等，所述焊接工艺参数包括但不限于热源参数、预热温度、道间和层间保温参数、功率、光斑大小、电流电压等等，可根据仿真需要和焊接路径进行适应性设置。从而基于所述坡口的几何形状，可以实现焊接路径的参数化定义，从而实现不同的精度和计算效率，方便根据实际需求进行调整。

s104，基于所述焊接路径、焊接工艺参数和预先设定的单元激活方式激活所述坡口几何模型内的有限元网格。

其中，所述单元激活方式包括：

随着热源移动，激活热源前端一个预设长度的单元；将每一焊道分段，逐段激活焊道内单元；逐道激活焊道内的单元或者逐层激活焊层内的单元。

在本实施例中，如图6所示为焊缝区和母材区的划分示意图，利用生死单元技术实现焊缝的道间金属和母材金属的区域自识别，所述激活是指恢复有限元网格单元原始质量、比热容、热传导系数等，模拟焊缝材料的实际填充过程。通过设置不同的单元激活方式，工程人员可根据实际需求进行模型调整、运算简化等。

在一种具体的实施方式中，如图7所示为逐道激活焊道内的单元的示意图。具体的，焊枪按照预先设定的焊接路径，以一定的焊接速度v沿焊接方向向前运动，当焊枪移动时长为t＝l/v时，焊枪则停止移动，完成一道焊道单元的激活。如此往复，直到最后一道焊道单元激活完成。(此实施示例中道间等待时间t1为0，若t1不为0，则每道焊道激活完成后需等待一段时间t1后，再进行后续激活。)

s105，获取基于边界条件选项和单元激活过程自适应生成的换热边界条件。

其中，所述边界条件选项包括：换热边界的类型、边界条件自适应的程度或边界条件自适应更新的频率。

其中，所述换热边界的类型包括给定边界温度、给定边界上的热流密度分布或给定边界上的物体与周围介质间的热交换等等；所述边界条件自适应程度是指与实际焊接物理过程相比的简化程度；所述边界条件自适应更新的频率是指换热边界条件随着单元激活的变化频率。本实施例通过对边界条件进行若干约束，实现了换热边界条件的自适应生成，避免了在单元激活过程中对换热边界条件进行冗繁的设置，在设定的模型下能够与实际工艺进行更好的匹配。

在本实施例中，在本实施例中，焊接温度场是一个非线性瞬态热传导问题，边界条件是其定解条件，采用边界条件加载温度载荷，将其加载到待焊工件表面，换热边界条件随着单元激活而不断变化。

在分析计算时，坡口内部的有限元网格随着焊接过程的进行自动激活，随着焊接热源(如激光、电子束、电弧等)的移动，坡口内的单元按照实际焊接路径、焊接工艺参数和预先设定的单元激活方式在一定范围内被激活，并在所有激活的单元组成的有限元网格计算区域上，自动生成新的边界，用于计算换热等物理过程。

在一种具体的实施方式中，网格的激活过程如图8所示：假设在焊接过程某一瞬间t时刻，其单元激活区域为a，在经历一段时间δt后，由于热源移动导致新的区域被激活，新激活的区域为b，则重新划定计算区域由母材+区域a更新为母材+区域a+区域b，重新划定边界由边界更新为边界b,然后在重新划定的计算区域和边界上开始计算分析。

s106，基于所述换热边界条件进行温度场和力学场的顺序耦合计算，以获取温度场和应力场分布。

在本实施例中利用焊接模拟软件例如inteweld、ansys、abaqus等进行温度场和应力场顺序耦合计算，获取分析计算结果如图9-11所示。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，所述获取自定义的坡口尺寸参数，以在所述有限元模型上生成坡口几何模型，具体包括：

获取焊接坡口标志线和坡口尺寸参数；其中，所述坡口尺寸参数经导入或手动输入；

基于所述坡口尺寸参数在所述坡口标志线处生成坡口几何模型；其中，所述坡口几何模型可进行可视化查看或编辑。

在本实施例中，所述坡口标志线为焊接坡口形状参数基准线，以所述坡口标志线为基准，基于坡口形状参数进行坡口设计。其中，在设计过程中，工程人员能够在图形化界面中对坡口的形状和位置进行编辑和修改，实现同时处理多个坡口，极大地降低了坡口建模的难度，使研发和工程人员能够处理复杂结构的多样坡口的建模。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，基于所述换热边界条件进行温度场和力学场的顺序耦合计算，以获取温度场和应力场分布之后，还包括：

采用焊接模拟软件或开源可视化程序对仿真模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理。

在本实施例中，在温度场和应力场计算计算结束后，可以采用焊接模拟软件例如inteweld，或者开源可视化程序如paraview等对模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理。具体的，可以采用c++语言编写相应的物理场求解器，采用vtk和qt平台进行可视化界面开发，进而对计算得到的温度场、位移场、应变场和应力场进行可视化分析，研究判断仿真结果的好坏，提取各项指标如最大变形量，进行工艺优化等问题的分析。

综上，本发明提供的多层多道焊仿真方法，通过自定义坡口参数，可以获取对坡口定义的参数化和可视化选择，能够在图形化界面中获取对坡口的形状和位置的编辑和修改，能够同时处理多个坡口，极大地降低了坡口建模的难度，使研发和工程人员能够处理复杂结构的多样坡口的建模。通过提供焊缝路径的参数化定义选择和多种单元激活方式选项，支持对于复杂多层多道焊问题的不同程度的简化计算，以实现不同程度的精度与计算效率的获得，方便研发与工程人员在仿真建模中按照实际的需求进行模型的调整。通过设置边界条件选项，对边界条件进行若干约束，实现了换热边界条件的自适应生成，避免了在单元激活过程中对换热边界条件进行冗繁的设置，在设定的模型下能够与实际工艺进行更好的匹配。

请参阅图12，本发明第二实施例提供了一种多层多道焊仿真装置，包括：

有限元模型获取单元201，用于获取待焊工件的有限元模型；

坡口几何模型获取单元202，用于获取自定义的坡口尺寸参数，以在所述有限元模型上生成坡口几何模型；

焊接参数获取单元203，用于获取基于所述坡口几何模型进行参数化设定的焊接路径和与所述焊接路径相匹配的焊接工艺参数；

激活单元204，用于基于所述焊接路径、焊接工艺参数和预先设定的单元激活方式激活所述坡口几何模型内的有限元网格；

换热边界条件获取单元205，用于获取根据边界条件选项和单元激活过程自适应生成的换热边界条件；

温度场和应力场获取单元206，用于基于所述换热边界条件进行温度场和力学场的顺序耦合计算，以获取温度场和应力场分布。

优选的，所述有限元模型获取单元201，具体包括：

几何模型获取模块，用于获取待焊工件的几何模型；

网格划分模块，用于基于网络疏密过渡的方法对所述几何模型进行网格划分，以获取有限元模型。

优选的，所述坡口尺寸参数包括以下至少之一：

坡口角度α、坡口面角度β、根部间隙b、钝边厚度p、根部半径r，顶部宽度w1，底部宽度w2。

优选的，所述坡口几何模型获取单元202，具体包括：

参数获取模块，用于获取焊接坡口标志线和坡口尺寸参数；其中，所述坡口尺寸参数经导入或手动输入；

坡口几何模型生成模块，用于基于所述坡口尺寸参数在所述坡口标志线处生成坡口几何模型；其中，所述坡口几何模型可进行可视化查看或编辑。

优选的，所述单元激活方式包括：

随着热源移动，激活热源前端一个预设长度的单元；

将每一焊道分段，逐段激活焊道内单元；

逐道激活焊道内的单元；

逐层激活焊层内的单元。

优选的，所述边界条件选项包括：

换热边界的类型、边界条件自适应的程度或边界条件自适应更新的频率。

优选的，所述多层多道焊仿真装置还包括：

可视化处理单元，用于采用焊接模拟软件或开源可视化程序对仿真模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理。

本发明第三实施例提供了一种多层多道焊仿真设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的多层多道焊仿真方法。

本发明第四实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如上所述的多层多道焊仿真方法。

示例性地，本发明所述的计算机程序可以被分割成一个或多个模块，所述一个或者多个模块被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述实现设备中的执行过程。例如，本发明第二实施例中所述的装置。

所称处理器可以是中央处理单元(centralprocessingunit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述打印方法的控制中心，利用各种接口和线路连接整个所述实现文档打印方法的各个部分。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现打印方法的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、文字转换功能等)等；存储数据区可存储根据用户终端的使用所创建的数据(比如音频数据、文字消息数据等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘、智能存储卡(smartmediacard,smc)、安全数字(securedigital,sd)卡、闪存卡(flashcard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

其中，所述实现用户终端的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。