[发明专利]一种钛合金焊接熔池晶粒生长三维数值模拟方法

权利要求书

1.一种钛合金焊接熔池晶粒生长三维数值模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、简化模型条件；

步骤2、基于传热原理，构建焊接瞬态宏观温度场模型；

步骤3、基于插值原理，构建微观温度场模型；

步骤4、构建晶粒形核与生长模型；

步骤5、模拟计算及结果导出。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金焊接熔池晶粒生长三维数值模拟方法，其特征在于，所述步骤1简化模型建立条件包括：

简化条件1、整个凝固过程只存在液相、固相和界面三种元胞状态；

简化条件2、模拟过程中为减少计算量，将物体的表面换热系数视为定值；

简化条件3、忽略动力学过冷，只考虑温度过冷、成分过冷和曲率过冷；

简化条件4、模拟区域划分为正方体单元，每一个单元即为一个元胞；

简化条件5、元胞邻域关系采用Moore型邻域，即八邻域。

3.根据权利要求2所述的一种钛合金焊接熔池晶粒生长三维数值模拟方法，其特征在于，所述步骤2按照以下具体步骤实施：

步骤2.1、模拟时选取高斯分布热源作为焊接热源，所述热源模型可由下式表示：

式(1)中：r为焊件上任一点到热源中心的距离/m；r_h为电弧有效热源半径/m；U为焊接电压/V；I为焊接电流/A；η为焊接热效率；

步骤2.2、热源加载到焊件上后，在所述焊件的表面和内部进行传导，焊接三维瞬态热传导方程可由下式表示：

式(2)中：T为温度场函数值/℃；ρ为密度/Kg·m^-3；c为容积比热容/J·(m³·℃)^-1；λ为热导率/W·(m·℃)^-1；q_v为热源强度/W·m^-3；

步骤2.3、确定导热的初始条件和边界条件；

初始条件可由下式确定：

T₀＝T_f (3)

式(3)中：T₀为模拟区域初始温度/℃；T_f为室温20℃；

所述边界条件是指物体表面与周围介质的热交换情况，边界条件由下式确定：

q_w＝h_w(T-T_f) (4)

式(4)中：q_w为体表面与周围介质的热交换量/J；h_w为表面换热系数/W/(m²·℃)。

4.根据权利要求3所述的一种钛合金焊接熔池晶粒生长三维数值模拟方法，其特征在于，所述步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1、假定材料在各个方向的热导率相同，根据插值原理，将(2)式转化为：

式(5)中：(i,j,z)为微观元胞的三维坐标；为微观元胞p(i,j,z)的当前温度值/℃；为微观元胞p(i,j,z)的下一时刻温度值/℃；

步骤3.2、计算得到宏观单元的温度数据后，基于式(5)，通过插值原理求解微观单元的温度值，实现温度场宏微观耦合过程。