[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

说明书

本发明公开了一种钛合金焊接熔池晶粒生长三维数值模拟方法，具体步骤如下：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。本发明建立的模型能够在三维尺度上模拟钛合金焊接熔池晶粒生长过程，以及研究焊接工艺参数对熔池大小/形状以及熔池内枝晶形貌的影响，从而对研究钛合金焊接过程中熔池微观组织演化过程起到了一定的促进作用。

技术领域

本发明属于金属材料焊接工艺数值模拟技术领域，具体涉及一种钛合金焊接熔池晶粒生长三维数值模拟方法。

背景技术

随着航空航天、船舶化工、生物医疗等领域的快速发展，对于材料性能的要求也越来越严苛，在众多金属材料中，钛合金具有密度低、比强度高、耐高温性、耐腐蚀性好等优点。钛合金的连接工艺中，焊接具有连接性能好、结构刚度大、适应性强等优点，是钛合金最主要的连接工艺之一。焊缝的微观组织对其力学性能具有重要影响，焊接具有瞬时、高温、高压的特征，采用传统的实验方法难以对焊接过程中任意时刻的焊接熔池状况进行研究，即使用特种实验设备，也不可避免的存在成本过高的问题。因此，急需一种成本可控且物理背景明确的研究方法，实现对焊接过程的可视化分析。近年来，计算机技术飞速发展，采用数值模拟方法对金属材料焊接过程进行研究为相关学者提供了新的研究思路。目前该方法已经在金属材料的焊接领域取得了一些成果，其基于物理基础构建数学模型，通过计算机模拟软件实现了模拟结果的可视化。

目前，对于焊接领域的数值模拟计算多集中于二维模型的建立与分析，对于三维模型的建立与分析鲜有报道，然而二维模型分析问题时，只能对模型某个截面的特征进行研究，三维模型较二维模型来说，其模拟结果更加精确和直观，因此，建立一种钛合金焊接熔池晶粒生长三维数值模拟方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛合金焊接熔池晶粒生长三维数值模拟方法，解决了当前有关钛合金焊接过程缺少的晶粒生长三维数值模拟方法的问题。

本发明所采用的技术方案是，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。

本发明的特点还在于：

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。

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：