[发明专利]一种焊缝区混合晶区有限元建模方法

说明书

本发明提供了一种对焊缝区混合晶区进行有限元建模的方法，采用改进的泰森多边形法，利用Matlab编程结合Excel进行坐标整合，可得到包含柱状晶和不同晶粒度等轴晶组织的混合晶区晶粒中心位置坐标及晶界的交点坐标，从而建立起混合晶区的几何模型。导出晶粒中心位置坐标及晶界的交点坐标，生成文本文件供有限元软件Abaqus读取；使用Abaqus运行编写好的Python脚本读取文本文件，建立混合晶区组织的有限元模型。本发明考虑焊接接头微观组织非均匀，可建立焊缝不同微区的有限元模型，并实现对不同晶区赋予不同的材料参数，使模拟结果更加可靠；混合晶区建模采用Matlab程序与Python脚本相结合的方法，省去了繁琐的Abaqus界面操作，能够实现焊接接头跨尺度有限元模拟计算。

技术领域

本发明涉及金属焊接接头模拟与仿真技术领域，尤其涉及一种焊缝区混合晶区有限元建模方法。

背景技术

为了对材料的力学性能进行微观尺度的研究，考虑材料微观晶粒组织特性的跨尺度模拟与仿真越来越多。因此为了提高模拟的可行性和准确性，建立符合材料微观组织特性的有限元模型显得至关重要。

常见的熔化焊接头焊缝区微观组织不均匀，通常包括柱状晶、粗等轴晶和细等轴晶等混合晶组织。传统的泰森多边形法只能用于建立单一晶粒度的等轴晶组织的物理模型，不适用于建立包含柱状晶及不同晶粒度等轴晶的焊缝区有限元模型。现有的电子衍射图法(EBSD)结合有限元软件，虽然能得到复杂微观晶粒组织有限元图像，但其存在如下不足：1、EBSD技术虽已经能够实现全自动采集微区取向信息，但是不能实现从组织模拟到裂纹萌生的全过程模拟，且后续处理较麻烦。2、该设备成本较高，普遍推广运用的难度较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种计算成本低、通用性强的混合晶区建模方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种焊缝区混合晶区有限元建模方法，包括以下步骤：

步骤1：选取一定尺寸的实际焊缝区，获得熔合区、热影响区和母材区的尺寸以及熔合区内的柱状晶平均晶粒度、热影响区和母材区内的等轴晶的平均晶粒度，并以此计算熔合区内的柱状晶数量x以及热影响区内的等轴晶数量y和母材区内的等轴晶数量z；

步骤2：在MATLAB中选择尺寸比例与实际焊缝区比例相同的区域作为模拟焊缝区，按照实际比例将模拟焊缝区沿横向依次分为模拟熔合区、模拟热影响区和模拟母材区；

步骤3：分别在步骤2的模拟熔合区内随机生成x个横坐标间距大于纵坐标间距的坐标点，在模拟热影响区和模拟母材区内分别随机生成y、z个坐标点，将所有坐标点的坐标导出；

步骤4：在MATLAB中读取导出的点坐标，采用泰森多边形法以点坐标作为晶粒中心坐标得到混合晶区的物理模型，将晶界交点坐标导出；

步骤5：在有限元模拟软件中读取晶界交点坐标，得到混合晶区的有限元模型。

优选地，步骤1中特定区域内等轴晶数量P的计算方法为：

其中，S为对应区域的面积，a为对应区域内等轴晶的晶粒度。

优选地，步骤3中模拟熔合区相邻坐标点的横坐标约为纵坐标的三倍。

本发明提供的焊缝区混合晶区有限元建模方法的优点在于：能够用于建立包含多种晶体的焊缝组织有限元模型，用于模拟混合晶区组织的材料力学性能，实现跨尺寸模拟与仿真，且不需要大型试验设备，节约成本，采用本发明简历的混合晶区有限元模型，对柱状晶和等轴晶分别赋予了不同的材料参数，模拟结果更加可靠。

附图说明

图1是本发明的实施例所提供的焊缝区混合晶区有限元建模方法的示意图；