[发明专利]基于接触模型的TC4弯板温度场的仿真分析方法

权利要求书

1.一种基于接触模型的TC4弯板温度场的仿真分析方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：简化TC4弯板：

以TC4弯板的圆心为坐标系原点O，坐标系原点与试件中点连线为y轴，建立笛卡尔坐标系，依据TC4弯板的曲率半径r、弦长L及柔性夹具单一琴键的宽度a，将TC4弯板离散成n段，n为试件所接触的琴键数量，利用数学软件，并计算出每段斜率k_i，i=1,2,⋯,n；

步骤二：计算TC4弯板与夹具间接触变形：

根据赫兹弹性接触理论，将线接触转化为窄面接触，计算出琴键与叶片间接触面半宽r_a；

步骤三：建立TC4弯板与夹具模型：

将试件与柔性夹具的几何尺寸及根据步骤一和步骤二中获得的斜率和接触面半宽，求出接触面积，导入三维软件中建立试件和夹具的接触模型；

步骤四：导入有限元分析软件：

将步骤三获得的接触模型导入有限元分析软件，定义试件和夹具的材料属性和特性参数；

步骤五：定义焊接热源移动轨迹：

在有限元分析软件中，在夹具上建立笛卡尔坐标系，定义焊接热源的移动轨迹；

焊接热源的移动轨迹加载过程是：

第一步：在夹具上建立的笛卡尔坐标系内，假设焊接热源沿试件中心运动，根据试件的几何形状，求出热源移动过程中，热源移动速度在初始位置与x轴夹角θ₀，并假设角速度ω为常数，得到角度随焊接时间变化的函数θ(t)；

（14）

第二步：将焊接速度v正交分解，分解为沿x和y方向两个分量；

第三步：以时间t=0时热源中心点坐标为初始条件，对第二步的两个速度分量做不定积分，求得焊接热源轨迹方程沿x和y方向两个分量；

第四步：将焊接热源轨迹方程的两个分量带入热源函数中，实现焊接热源的移动轨迹加载；

经过步骤五后，根据网格偏斜度指标，进行划分网格、施加接触模型的边界条件，对网格质量进行优化，获得质量高的网格；所述的边界条件包括对流和辐射换热系数、接触热阻、热流密度；然后选择瞬态求解器，进行仿真计算。

2.根据权利要求1所述的基于接触模型的TC4弯板温度场的仿真分析方法，其特征在于，网格质量的优化过程是：

第一步：选择整体接触模型网格密度，根据网格偏斜度指标，绘制整体网格的网格质量三维彩图，根据研究的需要，找出模型中重点研究部位；

网格质量三维彩图是将每个网格的质量转换为区间(0,1)中一个数字；转换规则为：网格质量越好，网格质量转换的数值越趋近于1；每个网格质量的数值对应一种颜色，在接触模型的相应位置绘制三维彩图，根据颜色来判断网格质量；

第二步：利用有限元软件中自带的几何处理工具，将第一步中找出的部位从模型整体上分割下来；

第三步：对第二步分割下来的部位进行网格加密处理，网格密度等级比整体模型的网格密度等级高一个等级。

3.根据权利要求1所述的基于接触模型的TC4弯板温度场的仿真分析方法，其特征在于，所述瞬态求解器为GMRE瞬态求解器。

4.根据权利要求1所述的基于接触模型的TC4弯板温度场的仿真分析方法，其特征在于，琴键与叶片间接触半宽r_a：

（4）

其中p=F/h为均匀线性载荷，N/m；F为夹紧力，N；h为柔性夹具中琴键式冷却块厚度；E为等效弹性模量，GPa；ρ为等效曲率半径，m；

在琴键式柔性夹具中，每个琴键后部装有弹簧，依靠弹簧的弹力提供夹紧力，由于试件为弯板而非直板，每个琴键的变形量不同，取所有变形量的均值为每个琴键的变形量，根据胡克定律，得夹具夹紧力F：

（7）

其中K为弹簧刚度，b为弹簧平均变形量，弹簧平均变形量由公式(8)得出：

（8）

k_i为直线的斜率。