变截面构件电子束焊的有限元模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子束焊接技术领域，具体涉及一种变截面构件电子束焊的有限元模 拟方法。
【背景技术】
[0002] 电子束焊接作为一种焊接效率高、焊缝质量高、精度高和焊后变形小的焊接方法 得到日益广泛的应用和不断的开发，已经广泛地应用到机械制造、航空航天、汽车工业以及 微电子行业等领域。尤其是在航空航天领域，电子束焊接因其能够实现多种类型材料的连 接，焊缝具有其他熔焊工业无法比拟的优越性等优点在航空工业的应用中做出了开创性贡 献。采用电子束焊接的焊接结构从降低飞行器制造成本、缩短生产周期、减轻重量、提高构 件的机械性能，提高运载能力、增强稳定性方面，都有良好的效果。电子束所焊接的结构件 一般比较复杂，且材料造价比较高，制造工艺不成熟，如果采用物理实验或者是依靠经验的 方法需要做很多次试验，试验周期很长，这将会耗费大量的不必要成本，严重消耗大量物力 人力资源，严重的影响到构件的投入生产使用的时间。采用数值模拟的方法来代替前期不 必要的物理实验，可以节约大量的成本和物力人力资源，缩短研究周期。将生产车间的反复 性试验交由计算机处理，可减少实际试验的反复性和盲目性，并且焊接在模拟过程中调整 方便，便于控制。
[0003] 通过电子束焊实现连接的构件结构通常比较复杂，所要施焊部位的厚度经常会改 变，即变截面焊缝。实现变截面焊的电子束焊接，必须改变焊接工艺，才能得到理想的焊缝， 否则会出现未焊透现象。电子束焊接的有限元模拟过程一般通过有限元软件的二次开发来 添加热源，一旦焊接工艺确立通常无法实时控制和改变。所以变截面的电子束焊焊缝的模 拟结果是一道尺寸不变焊缝，因而无法与实验结果相匹配。若想用常规手段实现变截面的 电子束焊接，需通过改变二次开发子程序中的焊接工艺，分段加载到构件的焊接过程中。然 而当构件中的变截面焊缝数量较多时，若采用上述传统方法，不但子程序的编写量，边界条 件的加载次数繁多，而且有限元软件在调用冗长的子程序时会降低计算效率。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题
[0005] 本发明要解决的技术问题是：如何解决对变截面电子束焊接模拟一次加载实现问 题，以提尚计算效率。
[0006] (二）技术方案、
[0007] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种变截面构件电子束焊的有限元模拟方 法，包括以下步骤：
[0008] Sl、建立三维有限元网格模型：
[0009] 在三维造型软件中建立工件的几何模型，利用网格划分软件或者有限元计算软件 对工件进行网格划分；
[0010] S2、建立变截面电子束焊接热源模型，其中面热源和体热源分别为：
[0011] (1)
[0012] I 2 )
[0013] 式中，fs(x，y，t)为面热源在工件表面上的热流密度分布，Rs 2(t)为面热源有效加 热半径，P(t)为焊接功率，参数Il1U)为面热源能量分配系数，t为时间，α为热流集中系 数，f v(x，y，z，t)为体热源在工件内部各个位置的热流密度分布，H(t)为热源有效作用深 度，β为体热源衰减系数，R v(t)为有效作用半径复制双椭球热源模型，ri2(t)为体热源能 量分配系数，n JtHri2 (t)为整个热源的有效系数；
[0014] S3、将步骤S2建立的热源模型离散化：
[0015] 将所述热源模型进行程序化，对公式（1)和公式（2)进行离散编程；
[0016] S4、将步骤S3产生的热源模型加载到步骤Sl所建立的网格模型上，设置热源边界 条件、初始条件及控制热源位置，基于有限元计算软件求解热-弹塑性控制方程。
[0017] 优选地，步骤S4中求解热-弹塑性控制方程中利用热-机耦合原理：热源模型的 电子束焊接熔池的横截面呈一个钉子形状，电子束焊接熔池在"钉子头"下方的熔化区域尺 寸小于预设阈值，熔深随着焊接功率的增大而增大。
[0018] 优选地，在步骤S4中设置热源边界条件和初始条件具体为：
[0019] 设置工件底面与工作台之间存在传导换热；其他表面的热边界条件为热对流和热 辐射；初始条件为工件初始温度为20摄氏度。
[0020] 优选地，步骤S4中加载热源模型的方式为调用子程序加载。
[0021] (三）有益效果
[0022] 本发明针对电子束焊接特别是深熔型激光焊接过程，建立了有限元网格模型，添 加合理的初始条件和边界条件，利用有限元计算软件进行求解，计算结果表明该热源模型 及有限元网格模型可实现变截面电子束焊接过程，模型计算过程全程自主，中间无任何人 工干预，因此本发明针对变截面电子束焊接实现了其有限元计算过程，同时克服了传统模 拟方法效率低的缺陷，提高了计算效率，简化了计算过程。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明实施例的方法中所建立的板材的几何模型图示；
[0024] 图2为本发明实施例的方法中工件网格划分示意图；
[0025] 图3为本发明实施例的方法中所建立的电子束焊接热源模型图；
[0026] 图4为本发明实施例的方法计算结果显示的焊接初始时刻的熔池形貌，其中（a) 为整体图，（b)为局部放大图；
[0027] 图5为本发明实施例的方法计算结果显示的焊接结束时刻的熔池形貌，其中（a) 为整体图，（b)为局部放大图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的
【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0029] 本发明提供了一种变截面构件电子束焊的有限元模拟方法，包括以下步骤：
[0030] Sl、建立三维有限元网格模型：
[0031] 本实施例中，板材的尺寸参数为：长100mm，宽100mm，厚度方向呈变截面状，薄侧 厚度为5mm，厚侧为10mm，中间呈线性过渡，材料为钛合金TA15。电子束热源沿着板材对称 面上进行焊接，所以模拟过程为减小计算量只对板材的一半进行模拟，对称面上施加对称 边界条件。在三维造型软件中建立工件的几何模型如图1所示，利用网格划分软件或者有 限元计算软件对工件进行网格划分（划分后的模型如图2所示），网格划分