一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法与流程

本发明属于水下激光焊接技术领域，更具体地，涉及一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法。

背景技术：

随着人类对海洋的认识不断加深，走向深海大洋、探测深海环境和获取深海能源对未来国家能源战略开发至关重要。深海或称深水,通常由深海相关行业根据行业特点和技术水平做出定义。军事领域将深海定义为水深300m以上的海洋；海洋工程领域将水深300m以上定义为常规深水,水深1500m以上定义为超深水。近年来，陆上油气资源及近海油气资源正在逐渐减少甚至枯竭,世界先进国家都将油气资源的开发重点投向了深海乃至超深海。深海能源的前景十分诱人，但深海能源的开采区域位于大洋深处,远离大陆,往往面临高压、严寒、湿度、内波等恶劣的自然环境。相对于陆地来说,深海开发具有高投入、高技术、高风险的特点。水下激光焊接作为一种新型的自动化生产工艺，具有能量密度高、热量集中、热输入大、热影响区窄、冷却速率快、自动化程度高等诸多优点，是深海恶劣环境下的理想焊接方法，在水下矿产开发、海底油气管道、大型设备、甚至绿色核电设施的建设与维修等领域具有广阔的应用前景。

然而水下激光焊接是一个快速而不均匀的热循环过程，焊缝周围的冷却过程中温度梯度较大，并且随着水深的增加周围压力逐渐增大，将会限制金属蒸汽，金属蒸汽逸出形成反向凹坑使吸收进一步增强，使得蒸汽压进一步增强，从而影响蒸发过程。因此准确认识水下激光焊接过程中温度场、速度场、反冲压力等的分布规律对获得较好的焊缝成形质量具有重要的现实意义。

但是，传统的数值模拟激光焊接大多涉及的是金属液体和空气自由表面的相互作用，整个焊接过程始终处于大气压力环境下，对于不同水深的压力环境下的激光焊接数值模拟过程尚属空白；其次没有考虑金属蒸发时的蒸发反作用力、还有随着水深的增加压力逐渐增大的过程以及由于水的存在而带来的能量损失；此外，目前采用有限元分析软件对激光焊接温度场进行数值模拟的有ansys、sysweld等，但这些软件在热源模型的选取、等离子体对温度场的影响以及材料未知温度内热物理参数的确定等研究方面存在较多难点。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，包括如下步骤：

s1：建立焊接实体几何模型，采用网格划分软件对其进行建模及四面体网格划分，获得激光焊接数值模拟模型；

s2：初始化计算域温度、压力、速度条件，并设置时间步长δt0；

s3：设定边界条件，所述边界条件包括压力入口、压力出口和流体域；

s4：离散化求解温度场及s3中所述边界条件；

s5：确定流动区域，处理和修正反冲压力边界条件，求解流动场，包括如下步骤：

s51：在开始数值分析前，定义反冲压力模型；

s52：建立焊接过程中所述反冲压力模型的修正模型；

s6：基于所述反冲压力模型及其修正模型，处理自由界面速度边界条件并更新自由表面levelset函数；

s7：更新时间步长直至计算结束，并存盘退出。

进一步地，步骤s51中环境压力远小于反冲压力，则所述反冲压力可用下列公式表示：

式中，pr表示反冲压力；ts表示焊接过程的表面温度，是一个变量；p0表示一个标准大气压，其值为1.013×10⁵pa；tv表示材料在标准大气压下的沸点；系数βr表示再凝结颗粒与蒸发颗粒的比值；δhv表示蒸发汽化过程中的相变焓，其值等于每个原子的原子质量与蒸发潜热的乘积；kb表示波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23j/k。

进一步地，步骤s52中，对于任意给定深度的环境压力pamb，所述修正模型可用下列公式表示：

式中，ps表示修正反冲压力；ts表示焊接过程的表面温度，是一个变量；pamb表示任意给定深度的环境压力；p0表示一个标准大气压，其值为1.013×10⁵pa；tv表示材料在标准大气压下的沸点；系数βr表示再凝结颗粒与蒸发颗粒的比值；δhv表示蒸发汽化过程中的相变焓，其值等于每个原子的原子质量与蒸发潜热的乘积；kb表示波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23j/k；tvb为相交点的温度。

进一步地，所述修正模型的光滑过渡曲线公式表示如下：

式中，ps表示修正反冲压力；ts表示焊接过程的表面温度，是一个变量；pamb表示任意给定深度的环境压力；p0表示一个标准大气压，其值为1.013×10⁵pa；tv表示材料在标准大气压下的沸点；系数βr表示再凝结颗粒与蒸发颗粒的比值；δhv表示蒸发汽化过程中的相变焓，其值等于每个原子的原子质量与蒸发潜热的乘积；kb表示波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23j/k；tvb为相交点的温度；pc表示引入的光滑过渡曲线。

进一步地，步骤s1中，所述焊接实体几何模型包括焊接母材、局部干法排气罩以及激光发射发射器；其中，所述局部干法排水罩将整个焊接区域划分成液相区和气相区，所述气相区是由氮气在所述排水罩内形成的局部干燥、稳定的焊接空间；所述的液相区处于一个密闭的容器中，并通过所述密闭容器中通入的高压气体，形成可变的周围环境压力，以此来模拟深水高压环境。

进一步地，所述气相区下方为工作固-液区，所述工作固-液区为计算域。

进一步地，所述工作固-液区计算域每个网格中心点的物理量初始值包括环境温度、环境压力和初始速度。

进一步地，步骤s6中，所述自由表面levelset函数用于追踪随时间变化的气液自由界面，瞬态的所述气液自由界面用一个随时间改变的距离场函数φ(x,y,z,t)的零值面来表示，并用如下函数表示：

其中，是自由界面附近熔池的速度。

进一步地，步骤s2中，所述时间步长确定方法如下：

s21：所述工作固-液区稳定计算的最大时间步长为δtm；

s22：比较所述步骤s2中的δt0与所述δtm的大小，并取两者的最小值作为更新的时间步长δti，其中，i＝1,2,3…。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，通过建立反冲压力模型以及修正模型，可以迅速并且直观地模拟出在不同压力下的局部干法水下激光焊接过程中反冲压力等因素对熔池流动的驱动作用，实现同时对焊接过程中温度场、速度场等进行求解，弥补了对于不同水深的压力环境下的激光焊接数值模拟过程的空白，并且分析金属蒸发时的蒸发反作用力、还有随着水深的增加压力逐渐增大的过程以及由于水的存在而带来的能量损失，为水深压力下的局部干法水下激光焊接提供理论依据。

(2)本发明的一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，通过本发明所提出的方法能够很好解决界面附近非线性求解的困难，并且能够更加全面而真实的再现物理过程，模拟出不同水深的不同压力与反冲压力的相互关系，方便进行更加深入的理论研究，进一步促进不同水深的局部干法水下激光焊接的工程化应用。

(3)本发明的一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，采用本发明方法可实现对不同水深、不同压力环境、不同工件材料以及不同工艺参数的局部干法水下激光焊接数值模拟，具有很好的扩展性，为设计和优化工艺参数提供参考，并在水下激光焊接的机理研究及工程工艺参数制定方面具有应用潜力

(4)本发明的一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，采用c++语言编写了相应的数值模拟系统，相应的代码还采用openmp语言进行了并行化，以模拟焊接动态成形过程，在熔池表面的自有界面将采用levelset方法进行描述，并采用高阶有限差分方法对控制方程以及相应的边界条件进行离散求解，使得分析人员利用计算机便可获取不同水深水下激光焊接的温度场和速度场等，为设计和优化工艺参数提供参考。

附图说明

图1为本发明实施例的数值模拟整体操作流程框图；

图2为本发明实施例的局部干法水下激光焊接过程示意图；

图3为本发明实施例的反冲压力修正模型公式②的间断点二维示意图；

图4为本发明实施例的反冲压力修正模型公式③的修正模型光滑过渡曲线二维示意图；

图5为本发明实施例的反冲压力在更深水面下的间断点二维示意图；

图6为本发明实施例的反冲压力在更深水面下的修正模型光滑过渡曲线二维示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的数值模拟整体操作流程框图。如图1所示，一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，包括：

s1：建立焊接实体几何模型；

s2：初始化计算域温度、压力、速度等条件，并设置时间步长；

s3：设定流场域、进口出口以及待焊件表面的边界条件；

s4：离散化求解温度场和其它能量边界条件；

s5：确定流动区域，处理和修正反冲压力边界条件，求解流动场；

s6：处理自由界面速度边界条件并更新levelset函数；

s7：通过更新时间步长直至计算结束，并存盘退出。

在水下激光焊接过程中，熔池内部经历熔化、凝固、蒸发、凝结等复杂的相变过程；与此同时，由于水的存在，其内部还会存在着复杂的传热和流动现象；并且随着水深的不断增加，熔池周围压力不断增大，高温熔池还会受到变化的表面张力、反冲压力等复杂因素的耦合作用。本发明的一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，通过建立反冲压力模型以及修正模型，可以迅速并且直观地模拟出在不同压力下的局部干法水下激光焊接过程中反冲压力等因素对熔池流动的驱动作用，实现同时对焊接过程中温度场、速度场等进行求解，弥补了对于不同水深的压力环境下的激光焊接数值模拟过程的空白，并且分析金属蒸发时的蒸发反作用力、还有随着水深的增加压力逐渐增大的过程以及由于水的存在而带来的能量损失，为水深压力下的局部干法水下激光焊接提供理论依据。

具体地，图2为本发明实施例的局部干法水下激光焊接过程示意图。结合图1，步骤s1中，首先需要建立焊接实体几何模型，如图2所示，焊接实体几何模型包括焊接母材、局部干法排气罩以及激光发射发射器；其中，局部干法排水罩将整个焊接区域划分成液相区和气相区，气相区是由氮气通过进气管通入排水罩内，并在排水罩内形成一个局部干燥、稳定的焊接气相区；为了得到可变的周围环境压力，将所述的液相区置于一个密闭的全封闭容器中，并往密闭容器中通入高压气体，以此来模拟深水高压环境；气相区下方焊接部位为工作固-液区，工作固-液区为计算域，对计算区域采用网格划分软件进行网格划分；网格划分软件为美国altair公司的hypermesh；并且网格为正方体，边长为100μm。激光与工作固-液区的入射角度为10°，焊接方向如图2所示。焊接实体几何模型为长方体，长16mm，宽12mm，高14mm，工作固-液区为长方体，其长、宽与焊接实体几何模型相同，高6mm。本发明的焊接实体几何模型采用德国siemensplmsoftware公司的ug软件建立。

进一步地，一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，s2中，进一步初始化计算域温度、压力、速度等条件，并设置时间步长。给定计算域每个网格中心点的物理量初始值：环境温度为200k～4000k，环境压力为0.1mpa～10mpa，速度为0m/s，金属蒸汽质量百分含量0；所述的时间步长用δt0表示，其中，δt0＝1×10^-7～1×10^-6s，并设置计算截止时间tend＝0.1～10s；所述激光为nd:yag激光，功率10000w，光斑半径0.5mm；采用pricieter的焊接接头。光纤芯径为30μm。

进一步地，一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，步骤s3为设定流场域、进口出口以及待焊件表面的边界条件。工件区域工件材料为304不锈钢，将设定压力入口、压力出口和流体域，建立包含质量、动量和能量守恒边界条件的偏微分控制方程组。

进一步地，一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，步骤s4为离散化求解温度场和其它能量边界条件。采用高阶有限差分方法对控制方程组以及相应的边界条件进行离散求解；所述的控制方程组中的各项描述如下：瞬态项采用三阶tvdrunge-kutta格式，对流项采用五阶weno格式，扩散项采用二阶中心差分格式。控制方程中的n-s方程采用projection方法进行求解，能量方程采用半隐式方法进行求解。

一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，步骤s5中，确定流动区域，处理和修正反冲压力边界条件，求解流动场。求解流动场的过程中，自由界面的法向方向上，会受到反冲压力、表面张力和流体动压力作用，在开始数值分析前，定义一个反冲压力模型，该反冲压力为焊接过程中获得渗透深度的驱动力，若在激光焊接材料内部周围气体对蒸发过程没有影响的话，即环境压力远小于反冲压力，则反冲压力可用下列公式表示：

式中，pr表示反冲压力；ts表示焊接过程的表面温度，是一个变量；p0表示一个标准大气压，其值为1.013×10⁵pa；tv表示材料在标准大气压下的沸点；系数βr表示再凝结颗粒与蒸发颗粒的比值；δhv表示蒸发汽化过程中的相变焓，其值等于每个原子的原子质量与蒸发潜热的乘积；kb表示波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23j/k。

进一步地，在本发明中，由于随着水深的增加，环境压力是个不断增大的过程，将会限制金属蒸汽，从而影响蒸发过程。因此本发明提出一个在焊接过程中的修正模型，由于同一水深的环境压力的不变的为一个常数，则对于任意给定深度的环境压力pamb，若表面温度远低于蒸发温度时，即当材料表面温度低于材料沸点时，材料表面压力ps(ts)将会等于环境压力pamb；若表面温度很高时，即当材料表面温度高于材料沸点时，则此时材料表面压力ps(ts)将会等于反冲压力，即等于公式①，因此修正后的模型可用下列公式表示：

式中，ps表示修正反冲压力；ts表示焊接过程的表面温度，是一个变量；pamb表示任意给定深度的环境压力；p0表示一个标准大气压，其值为1.013×10⁵pa；tv表示材料在标准大气压下的沸点；系数βr表示再凝结颗粒与蒸发颗粒的比值；δhv表示蒸发汽化过程中的相变焓，其值等于每个原子的原子质量与蒸发潜热的乘积；kb表示波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23j/k；tvb为相交点的温度。

图3为本发明实施例的反冲压力修正模型公式②的间断点二维示意图，如图所示，温度tvb为两个函数的交点。

进一步地，为了避免图像在tvb处出现间断点，如图4所示，本发明在tvb的(tl,tr)这个温度范围内此引入一条光滑的曲线pc(ts)＝ats³+bts²+cts+d。因此，此时的表面压力模型光滑过渡曲线可用下列公式表示：

式中，ps表示修正反冲压力；ts表示焊接过程的表面温度，是一个变量；pamb表示任意给定深度的环境压力；p0表示一个标准大气压，其值为1.013×10⁵pa；tv表示材料在标准大气压下的沸点；系数βr表示再凝结颗粒与蒸发颗粒的比值；δhv表示蒸发汽化过程中的相变焓，其值等于每个原子的原子质量与蒸发潜热的乘积；kb表示波尔兹曼常数，其值为1.38×10^-23j/k；tvb为相交点的温度；pc表示引入的光滑过渡曲线。

通过本发明所提出的方法能够很好解决界面附近非线性求解的困难，并且能够更加全面而真实的再现物理过程，模拟出不同水深的不同压力与反冲压力的相互关系，方便进行更加深入的理论研究，进一步促进不同水深的局部干法水下激光焊接的工程化应用。

进一步地，在深海环境中，随着水深的增加，材料沸点是个逐渐增大的过程，图5为本发明实施例的反冲压力在更深水面下的间断点二维示意图。如图5所示，随着水深的增加材料的沸点t'vb向右移动，此时对应的环境压力p'amb也是个增大的过程，在此基础上再对该反冲压力模型进行修正，可得到如图6所示的反冲压力在更深水面下的修正模型光滑过渡曲线二维示意图。采用本方法可实现对不同水深、不同压力环境、不同工件材料以及不同工艺参数的局部干法水下激光焊接数值模拟，具有很好的扩展性，为设计和优化工艺参数提供参考，并在水下激光焊接的机理研究及工程工艺参数制定方面具有应用潜力。

一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，在步骤s6中，对自由界面速度边界条件进行处理并更新levelset函数。水平集(levelset)的是将界面看成高一维空间中某一函数ψ(称为levelset函数)的零水平集，同时界面的演化也扩充到高一维的空间中。我们将水平集函数按照它所满足的发展方程进行演化或迭代，由于水平集函数不断进行演化，所以对应的零水平集也在不断变化，当水平集演化趋于平稳时，演化停止，得到界面形状。自由表面levelset函数是来追踪随时间变化的气液自由界面，在本发明中，由于随着压力的不断变化，在自由界面上将存在着重要的动量边界条件，可以用来求解瞬态传热以及流动数学模型，在levelset方法中，瞬态的自由界面用一个随时间改变的距离场函数φ(x,y,z,t)的零值面来表示，自由界面函数表示如下：

其中，是自由界面附近熔池的速度。

一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，在步骤s7中，通过更新时间步长直至计算结束，并存盘退出。局部干法水下激光焊接工作固-液区稳定计算的最大时间步长可用下列公式表示：

并取(δt0,δtm)两者的最小值作为更新的时间步长δti，其中，i＝1,2…，表示第i步计算，最大条件数cmax＝0.5～1.0，umx，umy，umz分别为工作固-液区网格中心点的熔池速度在x、y、z三个方向的分量；δx，δy，δz分别为网格在x、y、z三个方向的尺寸；直至计算结束，存盘退出。计算结束后，采用开源可视化程序paraview对模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理；或者采用美国tecplot公司的可视化处理软件tecplot360对模拟过程中所获得的模拟数据进行可视化处理，可获得不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法的温度场、速度场等结果。

本发明的一种不同水深压力下局部干法水下激光焊接数值模拟方法，采用c++语言编写了相应的数值模拟系统，相应的代码还采用openmp语言进行了并行化，以模拟焊接动态成形过程，在熔池表面的自有界面将采用levelset方法进行描述，并采用高阶有限差分方法对控制方程以及相应的边界条件进行离散求解，使得分析人员利用计算机便可获取不同水深水下激光焊接的温度场和速度场等，为设计和优化工艺参数提供参考。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。