一种型材焊接过程动态模拟仿真方法

1.本发明涉及型材焊接技术领域，特别涉及一种型材焊接过程动态模拟仿真方法。


背景技术：

2.型材是铁或钢以及具有一定强度和韧性的材料(如塑料、铝、玻璃纤维等)通过轧制，挤出，铸造等工艺制成的具有一定几何形状的物体。普通型钢按其断面形状可分为工字钢、槽钢、角钢、h型钢、圆钢等。型材在焊接生产过程中是一个连续的运动焊合的过程，因此型材在生产过程中的运动速度也是一个十分重要的参数，所以，模拟型材感应焊接生产过程中不仅要考虑静态模拟过程，同时还需要考虑运动速度因素，构建型材焊接的动态模拟模型。
3.而目前考虑到工件运动时主要采用利用加热时间代替加热工件运动、热源平移法以及负载迁移的方法，然而，用加热时间代替型材的运动，相当于在模拟过程中一直把型材看做是个静止的一个过程，这与型材的实际焊接生产过程完全不相符。热源平移和负载迁移的方法，是一种移动线圈的方式，其直接改变了线圈和工件的相对位置关系，比如线圈与工件焊接v角原来距离30cm，热源平移后距离变成了20cm，实际过程中线圈是固定的，虽然工件在动，但是工件一直在焊合，因此线圈与工件焊接v角距离是不变的，因此热源平移和负载迁移的方法也与实际情况不相符。由于这些方法均与实际不相符，因此导致了模拟结果会存在较大的误差。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种型材焊接过程动态模拟仿真方法，通过动态指针区域赋值法等效型材在焊接过程中的运动，以实现焊接型材的动态模拟过程，从而获得较为精确的温度场，能够准确、迅速、有效的完成型材焊接过程的动态模拟。
5.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.一种型材焊接过程动态模拟仿真方法，包括：
7.建立型材焊接过程的三维模型；
8.对所述三维模型施加磁场和热场环境，并对所述型材焊接过程的加热温度场进行模拟计算；
9.提取型材上各节点加热完成后的温度t
mi
；
10.针对加热完成后的温度t
mi
小于型材稳态焊接温度tw，且大于指针移动激活温度tz的节点，计算加热完成后的温度t
mi
与加热完成前的温度t
mi’的温差δt
mi
＝t
mi-t
mi’，并将温差与焊接影响温度t
x
进行比较，抓取δt
mi
≥t
x
对应的所有节点温度t
mi
，将抓取到的节点温度赋值给下一相邻节点，使得下一节点下一次加热完成前的温度t
m(i+1)’为本次加热完成后的节点温度t
mi
，并进入下一次加热。
11.进一步地，针对温差δt
mi
小于焊接影响温度t
x
的节点，进入静态模拟过程，判断本次温度场计算过程是否结束，若本次温度场计算结束，则保持所有节点温度不变并进入下
一次加热；若本次温度场计算未结束，则增加时间子步t＝t+δt，保持所有节点温度不变并进入下一次加热。
12.进一步地，针对加热完成后的温度t
mi
小于tz的节点，进入静态模拟过程，判断本次温度场计算过程是否结束，若本次温度场计算结束，则保持所有节点温度不变并进入下一次加热；若本次温度场计算未结束，则增加时间子步t＝t+δt，保持所有节点温度不变并进入下一次加热。
13.进一步地，若所有节点加热完成后的温度大于tw，则h型钢焊接区域达到稳态焊接温度，模拟计算完成。
14.进一步地，所述型材为h型钢，建立型材钢焊接过程的三维模型，包括：
15.确定焊接模拟过程中所需要的h型钢、线圈及导磁体的几何尺寸；
16.按照h型钢、线圈及导磁体的几何尺寸在三维设计软件中对h型钢、线圈及导磁体进行几何模型的建立；
17.将建立的几何模型导入分析软件，在导入完成后激活笛卡尔坐标系并完成空气模型的创建。
18.进一步地，所述线圈为矩形螺旋线圈，所述线圈中间穿设有所述导磁体，所述导磁体的位置为正对焊缝位置，所述线圈和所述导磁体对称分布在焊缝两侧。
19.进一步地，对所述三维模型施加磁场和热场环境之前，还包括：
20.对所述几何模型进行网格划分；
21.对型材焊缝区域网格细化。
22.进一步地，对型材焊缝区域网格细化，包括：
23.对焊接v角部分的网格细化。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.本发明在对型材焊接过程的动态模拟仿真方法中，采用了动态指针区域赋值的方法，在模拟仿真的过程中，时刻对各个节点的温度进行提取监测，当节点温度达到指针移动激活温度时，便会动态抓取焊接温度影响节点的温度数据赋值给下一节点，直至焊接区域的所有节点温度到达稳态焊接温度。完成了对型材焊接过程的动态模拟仿真。
26.本发明引入焊接影响温度，避免所有节点的移动赋值，采用动态指针抓取的方式只针对焊接影响温度的节点进行抓取、赋值，相比传统模拟过程中以加热时间代替管坯运动的方法、负载迁移等方法，实现了焊接过程的动态模拟，符合焊接过程的实际情况，提高了模拟结果的准确性。相比已有的节点载荷移动法(通过节点载荷移动的方式等效模拟焊接过程中焊管运动)，在应用时无需保证工件焊接v角处的节点左右对称，也无需保证所有节点运动方向的一致性，适用范围更广，多型材可用，对工件形状也没有要求，且由于只针对部分节点进行抓取赋值，所以运算速度更快，效率更高。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明实施例中加热过程有限元模拟流程图；
29.图2是本发明实施例中建立的三维几何模型示意图；
30.图3(1)是本发明实施例中待焊接h型钢网格划分正视图；
31.图3(2)是本发明实施例中待焊接h型钢网格划分侧视图；
32.图4是本发明实施例中动态指针区域赋值法原理示意图；
33.图5是本发明实施例中动态指针区域赋值法某一时刻加热完成后等温线分布图；
34.图6是本发明实施例中h型钢模拟完成后焊缝方向截面温度分布云图；
35.附图中，1-空气模型，2-加热线圈，3-导磁体，4-h型钢。
具体实施方式
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明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。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.h型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材，因其断面与英文字母"h"相同而得名。由于h型钢的各个部位均以直角排布，因此h型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点，已在机械、建筑领域广泛应用。下面以h型钢为例，对本发明提供的型材焊接过程动态模拟仿真方法进行说明。
39.如图1所示，本发明实施例中的一种型材焊接过程动态模拟仿真方法，包括以下步骤：
40.步骤1、建立h型钢焊接过程的三维模型；
41.具体实施中，在solidworks三维设计软件中针对h型钢尺寸参数完成对h型钢模型、线圈模型以及导磁体模型的构建，将其保存为相应的格式后导入ansys软件，并在导入完成后激活笛卡尔坐标系并完成空气模型的创建；其中，空气模型为h型钢模型体积的2～3倍。
42.本实施例h型钢模拟过程中的参数具体如下表，表1为待焊接h型钢参数，表2为h型钢焊接过程电流参数；表3为初始参数的选取。
43.表1
[0044][0045]
表2
[0046][0047]
表3
[0048][0049][0050]
如图2所示，其示出了h型钢加热装置的模拟过程的三维几何模型，加热线圈2为矩形螺旋线圈，加热线圈2中间穿设有导磁体3，导磁体3的位置为正对h型钢4焊缝位置，从而使感应电流可以靶向作用于待加热区域，加热线圈2和导磁体3对称分布在h型钢4焊缝两侧。
[0051]
步骤2、选取单元类型，建立q235材料的导热系数k、比热容c、电阻率ρ及相对磁导率μ等物性参数文件库，并且对已经定义好的几何模型进行网格的划分及h型钢焊缝区域网格的细化；
[0052]
如图3(1)、3(2)所示，其示出了加热模拟过程中的h型钢网格划分示意图，运算过程与网格划分的数量有关，网格划分越细，模拟的结果就会越准确，但是网格细化带来的后果就是运算时间的增加，更严重地，直接会导致电脑崩溃运算不了，为了保证模拟数据的准确性同时减少运算量节省运算时间，只对特别重要的部分进行细化，具体的细化方式就是采用扫略的方式，只对h型钢的焊接v角部分进行网格的细化，而无需对h型钢基体都进行网格细化。本发明主要研究h型钢焊缝位置的模拟温度场分布情况，因此将焊缝位置划分为3层网格单元，在焊缝近端到远端网格划分应该逐渐稀疏，同时考虑到动态指针区域赋值法的应用，在h型钢沿焊缝方向应划分为大小一致的单元网格。网格划分好后就会形成节点，而节点数量的多少与网格划分的数量有直接的关系，因此网格细化也是为了让节点距离变小，这样的移动更接近于一个连续的过程。
[0053]
步骤3、施加h型钢焊接模拟中的磁场环境以及热场环境，从而完成对温度场的模拟计算，并调取温度场计算结果；
[0054]
调取结果等温线图如图5所示。
[0055]
下面采用动态指针区域赋值法等效h型钢在焊接过程中的运动，如图4所示，其示出了本发明实施例中动态指针区域赋值法原理示意图，由于在模拟过程中只是针对沿着焊缝长度方向的节点温度的抓取与重新赋值，因此温度节点在被抓取和再次赋值过程中沿焊
缝厚度方向的坐标不变，故节点温度t
mi
中m代表温度节点的行编号，在本实施例中m＝a，b，c，d；而i代表温度节点的列编号，在本实施例中i＝1，2，3，
…
，9；因此t
a1
的取值即可表示为a1节点的温度值。
[0056]
步骤4、提取h型钢上各节点加热完成后的温度t
mi
，将各节点加热完成后的温度t
mi
与h型钢稳态焊接温度tw＝1450℃进行比较：由于t
mi
＜1450℃，故直接进入步骤5；
[0057]
其中，h型钢稳态焊接温度是q235材料的最佳焊接温度，最佳温度范围为1350℃～1500℃。
[0058]
步骤5、将各节点加热完成后的温度t
mi
与指针移动激活温度tz＝760℃进行比较：由于t
b2
、t
b3
、t
c2
、t
c3
≥760℃，故抓取节点b2、b3、c2、c3温度，转入步骤6，其余节点温度保持不变，转入步骤7；
[0059]
其中，指针移动激活温度是自定义的一个激活温度，本实施例中，设定居里点温度为指针移动激活温度，具体为760℃。在焊接加热过程中温度达到居里点温度之前，温升较快，达到居里点温度之后，温升较慢。本发明中，将居里点温度作为指针移动激活温度，即在温升变慢时开始寻找温升较大的关键加热节点，针对关键加热节点实施动态指针区域赋值法，在保证相应精度的前提下减少计算量。
[0060]
步骤6、计算抓取的各节点加热完成后的温度t
mi
与加热完成前的温度t
mi’的温差δt
mi
＝t
mi-t
mi’，并将各节点的温差与焊接影响温度t
x
＝30℃进行比较：若δt
mi
≥t
x
，则抓取δt
mi
≥30℃对应的所有节点温度t
mi
，并将抓取到的节点温度赋值给下一相邻节点，使得下一节点下一次加热完成前的温度t
m(i+1)’为本次加热完成后的节点温度t
mi
，这里假设δt
mi
≥30℃，即得t
b3’＝t
b2
、t
b4’＝t
b3
、t
c3’＝t
c2
、t
c4’＝t
c3
，并转入步骤3继续加热；
[0061]
若δt
mi
＜t
x
，则转入步骤7；
[0062]
其中，焊接影响温度t
x
的选取与仿真过程中的计算效率以及计算精度有关，两者具体关系如表4所示，本实施例中为了在保证相应精度的前提下提高计算效率，取t
x
＝30℃。
[0063]
表4
[0064][0065][0066]
步骤7、进入静态模拟过程，判定本次温度场计算过程是否结束，若本次温度场计算结束，则保持所有节点温度不变即t
a1
＝t
a1’、t
a2
＝t
a2’…
并直接转入步骤3；若本次温度场计算未结束，则增加时间子步t＝t+δt，并且在加热完成后转入步骤4；
[0067]
其中，静态模拟过程指的是：节点温度不进行移动。只有超过判据的节点进行移动，这样可以在保持准确的前提先减少运算时间，提升运算效率。
[0068]
温度场的计算都是分时间通过多次循环一步步的进行，每次循环也是按照时间子步一步步完成的，δt为每次循环的计算时间中的一个时间子步。本次温度场计算过程结束指的是按照本次循环的时间子步逐步增加，直至加热时间达到本次循环的时间，完成本次循环所有时间的计算。比如：整个过程要达到稳定焊接温度的加热时间为1分钟，加热的过程是先将一分钟分为6份，每份10s，分为加热6次完成(这是将一分钟分为6份的循环)，而这
6份中的任一份都再将子步时间δt分为1s(子步时间δt可以是任意的，但是要比每次循环时间10s小)，在1s加热完成后将数据保存，进行本方法的判断，是否需要节点的移动，若温度达不到，就所有的节点保证不动，然后在上一秒温度场和电磁场的基础上时间加一个子步时间(也就是增加1s)，然后一直到加热10s，完成本次循环温度场的计算，然后下一个10s在上一个10s的基础上继续进行加热，进入第二个循环，直至完成所有循环，则完成整个温度场的计算。
[0069]
步骤8、h型钢焊接区域达到稳态焊接温度，即t
mi
≥1450℃，模拟计算完成。
[0070]
如图6所示，其示出了本发明实施例的h型钢模拟完成后焊缝方向截面温度分布云图，通过温度云图可以看出，h型钢在动态指针区域赋值法下进行的动态模拟最终使得待焊区域达到了稳态焊接温度。
[0071]
本发明实施例中提供的一种h型钢感应焊接过程动态模拟仿真方法，其相较于传统的以增加加热时间等效工件的运动的方式，模拟精度可以提高37％；而本发明采用的动态指针区域抓取与重新赋值的方式，只针对焊接温度影响节点的温度数据进行抓取和重新赋值，虽然较所有的节点移动计算方法精度降低了3.2％，但是本发明提供的方法由于焊接温度集中、区域小，所以计算量比所有节点整体移动的方式大大的降低，因此在模拟时间上，本发明提供的方法可以在计算时间上降低63％。
[0072]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。