CN111259585A - 一种焊缝晶粒形核生长的仿真方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊缝晶粒形核生长的仿真技术领域，公开了一种焊缝晶粒形核生长的仿真方法及系统，焊缝晶粒形核生长的仿真系统包括：晶粒形核参数采集模块、数据导入模块、主控模块、数据校正模块、建模模块、数值模拟模块、云计算模块、显示模块。本发明通过建模模块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，节约成本，采用本发明建立的混合晶区有限元模型，大大提高模型精度；同时，通过数值模拟模块简化合金焊接熔池凝固条件；建立合金焊接熔池柱状枝晶及等轴晶形核模型；定义捕获规则；建立合金焊接熔池柱状枝晶、等轴晶生长模型；大大提高模拟准确性。
Description
技术领域
本发明属于焊缝晶粒形核生长的仿真技术领域，尤其涉及一种焊缝晶粒形核生长的仿真方法及系统。
背景技术
焊缝(welded seam)利用焊接热源的高温，将焊条和接缝处的金属熔化连接而成的缝。焊缝金属冷却后，即将两个焊件连接成整体。焊缝晶粒的大小、形态及分布决定和影响着焊件整体性能。然而，现有焊缝晶粒形核生长的仿真方法及系统对晶粒构建模型精度不高；同时，对焊缝晶粒形核数据模拟不准确。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有焊缝晶粒形核生长的仿真方法及系统对晶粒构建模型精度不高；同时，对焊缝晶粒形核数据模拟不准确。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种焊缝晶粒形核生长的仿真方法及系统。
本发明是这样实现的，一种焊缝晶粒形核生长的仿真方法，包括以下步骤：
步骤一，通过模拟程序简化合金焊接熔池凝固条件1、条件2、条件3、条件4、条件5、条件6；所述简化条件1包括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包括元胞邻域关系采用四邻域；
简化条件3包括合金凝固过程中设定溶质组元为B和C，忽略溶质之间的互扩散；
简化条件4包括焊接熔池近似为对称分布，为了节省计算时间，只考虑一半焊接熔池的凝固。
简化条件5包括将熔池理想化为四分之一椭圆，椭圆内部定义为液态金属，外部依距离定义为热影响区或母材；
简化条件6包括熔池中任意元胞到熔池中心的距离R由简化条件5得出：
步骤二，利用步骤一简化后的合金焊接熔池，建立合金焊接熔池柱状枝晶及等轴晶形核模型；并进行定义捕获规则；建立合金焊接熔池柱状枝晶、等轴晶生长模型；模拟计算及结果导出；
步骤三，对步骤二模拟计算的结果，利用模拟程序模拟焊缝晶粒形核生长；并通过计算程序选取一定尺寸的实际焊缝区，获得熔化区、热影响区和母材区的尺寸以及熔化区内的柱状晶、等轴晶平均晶粒度、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x1，等轴晶数量x2、热影响区内的等轴晶数量y和母材区内的等轴晶数量z；
步骤四，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化区、模拟热影响区和模拟母材区；
步骤五，分别在步骤四的模拟熔合区内随机生成(x1+x2)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；
步骤六，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；
步骤七，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。
进一步，步骤一前需进行：通过晶粒形核参数采集模块采集焊缝晶粒形核参数；通过数据导入模块利用导入程序将焊缝晶粒形核参数导入主控模块。
进一步，步骤一前还需进行：主控模块通过数据校正模块利用校正程序对采集的焊缝晶粒形核参数进行校正。
进一步，所述步骤三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。
进一步，步骤七后需进行：通过云计算模块利用云服务器应用云计算程序对焊缝晶粒形核数据进行处理。
进一步，步骤七后需进行：通过显示模块利用显示器显示采集的焊缝晶粒形核参数、模型、模拟结果。
本发明的另一目的在于提供一种实施所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法的焊缝晶粒形核生长的仿真系统，所述焊缝晶粒形核生长的仿真系统包括：
晶粒形核参数采集模块、数据导入模块、主控模块、数据校正模块、建模模块、数值模拟模块、云计算模块、显示模块；
晶粒形核参数采集模块，与数据导入模块连接，用于采集焊缝晶粒形核参数；
数据导入模块，与晶粒形核参数采集模块、主控模块连接，用于通过导入程序将焊缝晶粒形核参数导入主控模块；
主控模块，与数据导入模块、数据校正模块、建模模块、数值模拟模块、云计算模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；
数据校正模块，与主控模块连接，用于通过校正程序对采集的焊缝晶粒形核参数进行校正；
建模模块，与主控模块连接，用于通过建模程序构建焊缝晶粒形核模型；
数值模拟模块，与主控模块连接，用于通过模拟程序模拟焊缝晶粒形核生长；
云计算模块，与主控模块连接，用于通过云服务器应用云计算程序对焊缝晶粒形核数据进行处理。
进一步，所述的焊缝晶粒形核生长的仿真系统进一步包括：显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示采集的焊缝晶粒形核参数、模型、模拟结果。
本发明另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法。
本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法。
本发明的优点及积极效果为：本发明通过建模模块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，采用本发明建立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，大大提高模型精度；同时，通过数值模拟模块简化合金焊接熔池凝固条件；建立合金焊接熔池柱状枝晶、等轴晶形核模型；定义捕获规则；建立合金焊接熔池柱状枝晶、等轴晶生长模型；大大提高模拟准确性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的焊缝晶粒形核生长的仿真方法流程图。
图2是本发明实施例提供的焊缝晶粒形核生长的仿真系统结构框图。
图2中：1、晶粒形核参数采集模块；2、数据导入模块；3、主控模块；4、数据校正模块；5、建模模块；6、数值模拟模块；7、云计算模块；8、显示模块。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1所示，本发明提供的焊缝晶粒形核生长的仿真方法包括以下步骤：
S101，通过晶粒形核参数采集模块采集焊缝晶粒形核参数；通过数据导入模块利用导入程序将焊缝晶粒形核参数导入主控模块。
S102，主控模块通过数据校正模块利用校正程序对采集的焊缝晶粒形核参数进行校正。
S103，通过建模模块利用建模程序构建焊缝晶粒形核模型。
S104，通过数值模拟模块利用模拟程序模拟焊缝晶粒形核生长。
S105，通过云计算模块利用云服务器应用云计算程序对焊缝晶粒形核数据进行处理。
S106，通过显示模块利用显示器显示采集的焊缝晶粒形核参数、模型、模拟结果。
如图2所示，本发明实施例提供的焊缝晶粒形核生长的仿真系统包括：晶粒形核参数采集模块1、数据导入模块2、主控模块3、数据校正模块4、建模模块5、数值模拟模块6、云计算模块7、显示模块8。
晶粒形核参数采集模块1，与数据导入模块2连接，用于采集焊缝晶粒形核参数。
数据导入模块2，与晶粒形核参数采集模块1、主控模块3连接，用于通过导入程序将焊缝晶粒形核参数导入主控模块3。
主控模块3，与数据导入模块2、数据校正模块4、建模模块5、数值模拟模块6、云计算模块7、显示模块8连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作。
数据校正模块4，与主控模块3连接，用于通过校正程序对采集的焊缝晶粒形核参数进行校正。
建模模块5，与主控模块3连接，用于通过建模程序构建焊缝晶粒形核模型；
数值模拟模块6，与主控模块3连接，用于通过模拟程序模拟焊缝晶粒形核生长。
云计算模块7，与主控模块3连接，用于通过云服务器应用云计算程序对焊缝晶粒形核数据进行处理。
显示模块8，与主控模块3连接，用于通过显示器显示采集的焊缝晶粒形核参数、模型、模拟结果。
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
作为优选实施例，本发明提供的建模模块5建模方法如下：
(1)通过模拟程序简化合金焊接熔池凝固条件。
(2)建立合金焊接熔池柱状枝晶、等轴晶形核模型。
(3)定义捕获规则。
(4)建立合金焊接熔池柱状枝晶、等轴晶生长模型。
(5)模拟计算及结果导出。
实施例2
本发明提供的通过模拟程序简化合金焊接熔池凝固条件中简化模型条件包括：
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、元胞邻域关系采用V.Neumann型邻域，即四邻域。
简化条件3、合金凝固过程中设定溶质组元为B和C，忽略溶质之间的互扩散。
简化条件4、焊接熔池近似为对称分布，为了节省计算时间，只考虑一半焊接熔池的凝固。
简化条件5、将熔池理想化为四分之一椭圆，椭圆内部定义为液态金属，外部依距离定义为影响区或母材。
简化条件6、熔池中任意元胞到熔池中心的距离R由简化条件5可以得出：
式中：(i,j)为任意元胞的坐标，(s,s)为熔池中心的坐标。
实施例3
本发明提供的数值模拟模块模拟方法如下：
1)通过计算程序选取一定尺寸的实际焊缝区，获得熔化区、热影响区和母材区的尺寸以及熔化区内的柱状晶、等轴晶平均晶粒度，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x1、等轴晶数量x2、热影响区内的等轴晶数量y和母材区内的等轴晶数量z。
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化区、模拟热影响区和模拟母材区。
3)分别在步骤2)的模拟熔合区内随机生成(x1+x2)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。
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。
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。
本发明提供的步骤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。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种焊缝晶粒形核生长的仿真方法，其特征在于，所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法包括以下步骤：
步骤一，通过模拟程序简化合金焊接熔池凝固条件1、条件2、条件3、条件4、条件5、条件6；所述简化条件1包括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包括元胞邻域关系采用四邻域；
简化条件3包括合金凝固过程中设定溶质组元为B和C，忽略溶质之间的互扩散；
简化条件4包括焊接熔池近似为对称分布，为了节省计算时间，只考虑一半焊接熔池的凝固。
简化条件5包括将熔池理想化为四分之一椭圆，椭圆内部定义为液态金属，外部依距离定义为热影响区或母材；
简化条件6包括熔池中任意元胞到熔池中心的距离R由简化条件5得出：
步骤二，利用步骤一简化后的合金焊接熔池，建立合金焊接熔池柱状枝晶及等轴晶形核模型；并进行定义捕获规则；建立合金焊接熔池柱状枝晶、等轴晶生长模型；模拟计算及结果导出；
步骤三，对步骤二模拟计算的结果，利用模拟程序模拟焊缝晶粒形核生长；并通过计算程序选取一定尺寸的实际焊缝区，获得熔化区、热影响区和母材区的尺寸以及熔化区内的柱状晶、等轴晶平均晶粒度、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x1，等轴晶数量x2、热影响区内的等轴晶数量y和母材区内的等轴晶数量z；
步骤四，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化区、模拟热影响区和模拟母材区；
步骤五，分别在步骤四的模拟熔合区内随机生成(x1+x2)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；
步骤六，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；
步骤七，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。
2.如权利要求1所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法，其特征在于，步骤一前需进行：通过晶粒形核参数采集模块采集焊缝晶粒形核参数；通过数据导入模块利用导入程序将焊缝晶粒形核参数导入主控模块。
3.如权利要求1所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法，其特征在于，步骤一前还需进行：主控模块通过数据校正模块利用校正程序对采集的焊缝晶粒形核参数进行校正。
4.如权利要求1所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法，其特征在于，所述步骤三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。
5.如权利要求1所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法，其特征在于，步骤七后需进行：通过云计算模块利用云服务器应用云计算程序对焊缝晶粒形核数据进行处理。
6.如权利要求1所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法，其特征在于，步骤七后需进行：通过显示模块利用显示器显示采集的焊缝晶粒形核参数、模型、模拟结果。
7.一种实施权利要求1～6任意一项所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法的焊缝晶粒形核生长的仿真系统，其特征在于，所述焊缝晶粒形核生长的仿真系统包括：
晶粒形核参数采集模块、数据导入模块、主控模块、数据校正模块、建模模块、数值模拟模块、云计算模块、显示模块；
晶粒形核参数采集模块，与数据导入模块连接，用于采集焊缝晶粒形核参数；
数据导入模块，与晶粒形核参数采集模块、主控模块连接，用于通过导入程序将焊缝晶粒形核参数导入主控模块；
主控模块，与数据导入模块、数据校正模块、建模模块、数值模拟模块、云计算模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；
数据校正模块，与主控模块连接，用于通过校正程序对采集的焊缝晶粒形核参数进行校正；
建模模块，与主控模块连接，用于通过建模程序构建焊缝晶粒形核模型；
数值模拟模块，与主控模块连接，用于通过模拟程序模拟焊缝晶粒形核生长；
云计算模块，与主控模块连接，用于通过云服务器应用云计算程序对焊缝晶粒形核数据进行处理。
8.如权利要求7所述的焊缝晶粒形核生长的仿真系统，其特征在于，所述的焊缝晶粒形核生长的仿真系统进一步包括：显示模块，与主控模块连接，用于通过显示器显示采集的焊缝晶粒形核参数、模型、模拟结果。
9.一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施如权利要求权利要求1～6任意一项所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法。
10.一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行权利要求1～6任意一项所述焊缝晶粒形核生长的仿真方法。
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