專利名稱：一種基于ProCAST數值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法
技術領域：
本發明涉及焊接領域，具體為一種基于ProCAST數值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法。
背景技術：
汽車輕量化已成為21世紀汽車技術的前沿和熱點，大量輕質材料在車身上的使用對于整車的輕量化起著舉足輕重的作用。對汽車車身多材料結構而言，激光焊接具有能量密度高、熱量集中、焊縫深寬比大、熱影響區窄、自動化程度高等諸多優點，是鋼/鋁異種金屬的理想焊接方法，然而激光焊接是一個快速而不均勻的熱循環過程，焊縫附近加熱或冷卻過程中溫度梯度較大，因此準確認識激光焊接溫度場的分布規律，對控制焊接質量和使用性能具有重要現實意義。目前大多是采用有限元分析軟件對激光焊接溫度場進行數值模擬，其在熱源模型選取、材料未知溫度范圍內熱物理參數的確定、等離子體對溫度場的影響等研究方面存在較多難點。常用的有限元軟件有Ansys、Sysweld、Phoenics等。Ansys為通用有限元軟件，缺乏材料未知溫度范圍內熱物理參數的數據庫，Sysweld雖為焊接軟件專家,但涉及知識產權問題，性價比低，而Phoenics軟件則在編程方面要求較高。
發明內容
本發明所解決的技術問題在于提供一種基于PioCAST數值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法，其中ProCAST軟件擁有工業驗證的熱物理材料參數數據庫和標準化通用界面，可加載自定義熱源載荷，適合鋼/鋁異種金屬激光焊接溫度場的數值模擬與計算，以此來解決上述背景技術中的難點。本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現
一種基于ProCAST數值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法，包括以下步驟
(1)焊接模型的建立從UG中導出焊接實體模型，生成網格后，將模型導入PreCAST中，設置焊材參數、初始條件及邊界條件、設置運行參數，完成建模模型；
(2)疊加熱源載荷施加根據實際激光焊接工藝特點，利用C++程序，編寫由高斯面熱源和等離子體點熱源的疊加熱源q以及驅動外部計算文件.c ；
(3)計算運行在ProCAST求解模塊中，DataCAST模塊將步驟(I)中建模模型的ASCII轉換成二進制碼供ProCAST運行求解器的計算使用，同時通過由驅動外部計算文件.c作為通信串口，調用步驟(2)中自定義的疊加熱源q ;在模擬計算中，激光光斑中心點沿激光頭移動方向向前移動位移As，其中As=時間步長*速度，即用跳躍式小步長模擬連續激光加載，此時以移動中的光斑中心點位置為圓心，通過外部調用面熱流密度函數程序對位于光斑區域內的節點進行識別和取點，并分別在數值模擬計算的開始和結束以及計算中每一個時間步長的開始和結束時調用該函數，由驅動外部計算文件.c作為通信串口進行鏈接求解后將不同時刻的溫度場進行疊加，從而模擬計算出節點各個時刻的溫度場；計算出該單元一個節點后，其余節點溫度近似獲得，即將空間域離散到時間域按步長循環加載，用離散的點逼近連續的時空域，得到數值模擬的溫度場；
(4)結果顯示調用PioCAST的ViewCAST模塊獲得不同時刻的溫度場分布云圖、焊縫附近點的熱循環圖和預測焊件各點的溫度。與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明通過在ProCAST有限元軟件中加載自定義外加平面分布的高斯熱源與等離子體點熱源的疊加模型，利用ProCAST軟件對鋼/鋁異種金屬激光焊接溫度場的分布進行數值模擬，得到焊接溫度場云圖、焊縫附近點的熱循環曲線，預測焊件各點的溫度，對準確認識鋼/鋁激光焊接溫度場的分布規律、控制焊接質量和使用性能提供理論指導和技術支持。
圖1是本發明的總流程圖。圖2是ProCAST中過渡網格及邊界條件圖。圖3是ProCAST數值模擬中6016鋁合金的熱物理參數圖。圖4是ProCAST數值模擬中DC51D+ZF鍍鋅鋼的熱物理參數圖。圖5是ProCAST在St印=150時的模擬溫度場云圖(功率2kw、速度30mm/s光斑半徑 O. 9mm)。圖6是ProCAST在St印=650時的模擬溫度場云圖(工藝條件同圖5)。圖7是ProCAST在St印=870時的模擬溫度場云圖(工藝條件同圖5)。圖8是ProCAST在St印=1560時的模擬溫度場云圖(工藝條件同圖5)。圖9是ProCAST在St印=1560時焊縫及附近處的溫度梯度圖(工藝條件同圖5)。圖10是ProCAST在St印=1560時焊縫及附近處的熱循環圖(工藝條件同圖5)。圖11是ProCAST模擬最高溫度與實測溫度的比較圖(工藝條件同圖5)。
具體實施例方式下面舉例對本發明進行詳細闡述。1、鋼/鋁激光焊接溫度場的數值模擬 (I)模型的建立
在UG中建立模型，模型尺寸40mmX 20mmX1. Omm和40mmX 20mmX1. 4mm,保存為
Paraso I i d格式的中間文件，在MeshCAST前處理模塊中讀取；在網格環境中設置不同區域網格長度，分別生成面、體網格，并檢查網格壞單元、網格中交叉重疊部分、鈍角度，直到得到光滑平整的網格，導入MeshCAST后處理模塊，產生有限元網格，生成的節點總數為11764，四面體單元總數為56221。( 2 )初始及邊界條件
初始溫度設為環境溫度；由于對稱性，焊接的對稱面考慮為絕熱邊界條件；光斑掃描方向的區域選擇施加熱流q ;其余面均施加表面對流邊散熱，換熱系數選取IOW/(m2 k)。
(3)材料的熱物理性能參數
利用PioCAST有限元軟件的經過工業驗證的熱力學數據庫，基于基體金屬與合金成分，獲取6016鋁合金、DC51D+ZF鍍鋅鋼的密度、比熱容和熱導率等熱物理參數隨溫度變化的值。(4)相變潛熱
在PtoCAST模擬計算中，利用等效比熱容法處理相變潛熱，按下數學式計算
權利要求
1.一種基于ProCAST數值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法，其特征是，包括以下步驟 (1)焊接模型的建立從UG中導出焊接實體模型，生成網格后，將模型導入PreCAST中，設置焊材參數、初始條件及邊界條件、設置運行參數，完成建模模型； (2)疊加熱源載荷施加根據實際激光焊接工藝特點，利用C++程序，編寫由高斯面熱源和等離子體點熱源的疊加熱源q以及驅動外部計算文件.c ； (3)計算運行在ProCAST求解模塊中，DataCAST模塊將步驟(I)中建模模型的ASCII轉換成二進制碼供ProCAST運行求解器的計算使用，同時通過由驅動外部計算文件.c作為通信串口，調用步驟(2)中自定義的疊加熱源q;在模擬計算中，激光光斑中心點沿激光頭移動方向向前移動位移As，其中As=時間步長*速度，即用跳躍式小步長模擬連續激光加載，此時以移動中的光斑中心點位置為圓心，通過外部調用面熱流密度函數程序對位于光斑區域內的節點進行識別和取點，并分別在數值模擬計算的開始和結束以及計算中每一個時間步長的開始和結束時調用該函數，由驅動外部計算文件.c作為通信串口進行鏈接求解后將不同時刻的溫度場進行疊加，從而模擬計算出節點各個時刻的溫度場；計算出該單元一個節點后，其余節點溫度近似獲得，即將空間域離散到時間域按步長循環加載，用離散的點逼近連續的時空域，得到數值模擬的溫度場； (4)結果顯示調用PioCAST的ViewCAST模塊獲得不同時刻的溫度場分布云圖、焊縫附近點的熱循環圖和預測焊件各點的溫度。
全文摘要
本發明公開了一種基于ProCAST數值模擬鋼/鋁激光焊接溫度場的方法，包括焊接模型的建立、疊加熱源載荷施加、計算運行和結果顯示。本發明通過在ProCAST有限元軟件中加載自定義外加平面分布的高斯熱源與等離子體點熱源的疊加模型，利用ProCAST軟件對鋼/鋁異種金屬激光焊接溫度場的分布進行數值模擬，得到焊接溫度場云圖、焊縫附近點的熱循環曲線，預測焊件各點的溫度，對準確認識鋼/鋁激光焊接溫度場的分布規律、控制焊接質量和使用性能提供理論指導和技術支持。
文檔編號G06F17/50GK103020373SQ20121056505
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月24日 優先權日2012年12月24日
發明者周惦武, 李升 , 喬小杰, 張紅 申請人:湖南大學