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专利号: 2021103536222
申请人: 西安理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种TC4钛合金焊接熔池固态相变的模拟方法,其特征在于,具体按照以下步骤实施:步骤1、基于有限元法,构建焊接瞬态温度场模型,具体按照以下步骤实施:步骤1.1、根据实际焊件的大小和尺寸,在有限元模拟软件中建立有限元几何模型;

步骤1.2、根据焊接时选用的焊接材料,给有限元几何模型赋予材料属性,获得有限元几何材料模型;

步骤1.3、根据实际焊接过程,设置焊接模拟的分析步骤;

步骤1.4、根据焊接过程的实际情况,设置初始条件和边界条件,所述初始条件包括有设定初始温度,所述边界条件包括有确定模拟区域与环境的换热关系;

步骤1.5、根据焊接熔池的实际情况,设置载荷,所述载荷包括有设定边界约束、设定表面热通量,设定表面热通量即选择热源模型,所述热源模型选择双椭球热源模型,具体计算公式如下:当x≥0时,模型前半部分的函数表达式为:

当x<0时,模型后半部分的函数表达式为:

式(1)、(2)中:af,ar,b,c分别为椭球前后分区的轴长;f1为模型前半部分的系数;f2为模型后半部分的系数,Q为焊接热源的有效热输入;

步骤1.6、在有限元几何材料模型加上初始条件、边界条件、载荷组成有限元模型,将有限元模型进行网格划分,获得有限元计算模型,并利用有限元模拟软件计算焊接瞬态宏观温度场模型;

步骤2、利用插值原理,构建微观温度场模型,具体按照以下步骤实施:步骤2.1、选择合适的模拟区域,提取所选模拟区域有限元节点的热循环曲线,即时间‑温度曲线;

步骤2.2、利用模拟软件Matlab实现热循环曲线的拟合,得到有限元节点的温度‑时间函数,获得所选模拟区域的宏观温度场模型;

步骤2.3、采用线性插值的方法,将宏观温度场模型转化为用于微观固态相变计算的微观温度场模型,具体的计算公式由式(3)表示:式(3)中:TO为微观单元O的温度;Ti为O点附近的宏观单元温度;Li为从O点到周围宏观单元的距离;N为微观单元周围的宏观单元的数量,其中N的值为8;

步骤3、构建焊缝金属的固态相变模型,具体按照以下步骤实施:步骤3.1、简化焊缝金属固态相变模型的构建条件,简化的焊缝金属固态相变模型的构建条件包括:(1)将多元合金TC4钛合金的主要成分简化为Ti‑6Al;

(2)合金固态相变过程中只考虑主要相的生成,忽略次要相的生成;

步骤3.2、构建焊缝金属在加热和冷却过程中平衡相成分变化的模型,具体以下步骤实施:步骤3.3、根据杠杆定律,TC4钛合金加热过程中,平衡相组分的变化由式(4)表示:F(β)=(Fα(T)‑6.0)/(Fα(T)‑Fβ(T)) (4)式(4)中,F(β)表示加热过程中β相的平衡相体积分数;Fα(T)表示温度为T时α相的平衡相体积分数;Fβ(T)表示温度为T时β相的平衡相体积分数;

步骤3.4、钛合金自高温快速冷却时,采用JMATPRO软件计算凝固后的宏观相转变过程,根据宏观相转变模型,采用Matlab软件构建合金微观相转变模型,建立温度‑相变的数学模型,具体计算公式由式(5)表示:Fα'(i,j)=a*T(i,j)+b (5)

式中:Fα'(i,j)表示微观单元(i,j)的α'马氏体相的含量;T(i,j)表示微观单元(i,j)的温度;a和b表示实常数,a和b的数值大小与焊缝金属的温度有关;

步骤4、数值计算及计算结果的分析,具体按照以下步骤实施:步骤4.1、将步骤1至3所构建的焊接瞬态温度场模型、微观温度场模型及焊缝金属的固态相变模型导入模拟软件Matlab中,形成TC4钛合金焊接熔池固态相变的计算模型;

步骤4.2、向TC4钛合金焊接熔池固态相变的计算模型中输入TC4钛合金的热物理性能参数和具体的焊接工艺参数,进行计算得到模拟结果图像,并进行简要分析。