[发明专利]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

说明书

本发明公开了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；S2：初始化计算域温度、压力、速度条件，并设置时间步长Δ_t0；S3：设定边界条件；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；S6：处理自由界面速度边界条件并更新自由表面Level Set函数；S7：更新时间步长直至计算结束，并存盘退出。不仅弥补了水深高压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、还有随水深增加压力逐渐增大以及由于水而带来的能量损失，为水深压力下的局部干法水下焊接提供理论依据。

技术领域

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。

发明内容

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Δ_t0；

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Level Set函数；

S7：更新时间步长直至计算结束，并存盘退出。