焊接接头的三维实体模型构建方法、装置以及设备与流程

本技术涉及焊接，特别涉及一种焊接接头的三维实体模型构建方法、装置以及设备。

背景技术：

1、焊接过程仿真分析对评估焊接质量、优化焊接工艺参数、预测焊接变形及残余应力至关重要，其分析结果可以影响焊接结构的设计可靠性、制造精度及服役安全性。随着焊接结构向大型化、复杂化方向发展，焊接仿真分析的工作量和复杂度增加，依赖人工操作进行仿真模型建立和前处理配置需要耗费大量时间以及计算成本。

2、目前，焊接数值模拟技术多采用手工建模和人工逐一设置的方案，即针对具体焊接接头，由工程师手动创建几何模型、手动划分网格、手动定义材料属性及边界条件，不同工程师的操作规范和建模参数不统一，模型规范性、复用性差；并且，不同焊接接头类型或不同工艺参数条件下，需重复进行几何建模、网格划分及前处理设置，计算资源浪费严重。此外，热源模型、材料参数及边界条件等仿真设置依赖工程师的经验，仿真结果的可重复性和可比性不足，工程应用门槛较高。

3、针对上述焊接仿真前处理中模型构建效率低、模型规范性和复用性差、不同任务或工况下需重复建模及前处理配置、计算资源浪费严重的问题，目前尚未提出有效解决方案。

技术实现思路

1、本技术实施方式的目的是提供一种焊接接头的三维实体模型构建方法、装置以及设备，以解决焊接仿真前处理中模型构建效率低、模型规范性和复用性差、不同任务或工况下需重复建模及前处理配置、计算资源浪费严重中的至少之一。

2、为解决上述技术问题，本说明书第一方面提供了一种焊接接头的三维实体模型构建方法，包括：

3、获取目标焊接接头的几何参数信息和接头类型信息，所述几何参数信息至少包括第一母材的厚度和宽度、第二母材的厚度和宽度、坡口角度以及装配间隙；

4、根据所述几何参数信息和所述接头类型信息，分别生成对应于所述第一母材的第一几何实体和对应于所述第二母材的第二几何实体；

5、根据所述接头类型信息和所述几何参数信息，确定焊缝截面的多个控制点的空间坐标，并基于所述多个控制点的空间坐标生成所述目标焊接接头对应的焊缝的第三几何实体；

6、对所述第一几何实体、第二几何实体和第三几何实体执行布尔运算，生成包含共形的第一母材体、第二母材体和焊缝体的三维实体模型。

7、在本说明书的一些实施例中，所述根据所述几何参数信息和所述接头类型信息，分别生成对应于所述第一母材的第一几何实体和对应于所述第二母材的第二几何实体，包括：

8、根据所述第一母材的厚度和宽度以及所述坡口角度，确定第一母材截面的多个第一边界点的空间坐标；

9、基于所述多个第一边界点的空间坐标构建第一母材截面轮廓，并沿焊接方向拉伸所述第一母材截面轮廓生成所述第一几何实体；

10、根据所述第二母材的厚度和宽度以及所述坡口角度，确定第二母材截面的多个第二边界点的空间坐标；

11、基于所述多个第二边界点的空间坐标构建第二母材截面轮廓，并沿焊接方向拉伸所述第二母材截面轮廓生成所述第二几何实体。

12、在本说明书的一些实施例中，所述根据所述接头类型信息和所述几何参数信息，确定焊缝截面的多个控制点的空间坐标，包括：

13、根据所述接头类型信息，确定焊缝的拓扑形态特征；

14、根据所述坡口角度、所述装配间隙以及所述接头类型信息，判定焊缝截面的坡口类型；

15、确定所述第一母材的厚度与所述第二母材的厚度的比值以及两母材之间的高差，并基于所述比值和所述高差确定焊缝截面的根部特征；

16、根据所述拓扑形态特征、所述坡口类型和所述根部特征，确定焊缝截面的形貌特征；

17、根据所述形貌特征确定构建所述焊缝截面所需的目标控制点类型；其中，所述目标控制点类型包括以下至少之一：坡口边界点、根部点、余高点、根部过渡点；

18、根据所述形貌特征、所述几何参数信息以及目标控制点类型的计算规则，计算各类控制点的空间坐标。

19、在本说明书的一些实施例中，所述对所述第一几何实体、第二几何实体和第三几何实体执行布尔运算，生成包含共形的第一母材体、第二母材体和焊缝体的三维实体模型，包括：

20、根据所述几何参数信息中的最小特征尺寸，计算全局容差和局部接触容差；

21、以所述第三几何实体作为扣除体，以所述全局容差作为相交判定阈值，对所述第一几何实体和所述第二几何实体执行布尔差运算，从所述第一几何实体和所述第二几何实体中扣除与所述第三几何实体重叠的空间区域；

22、以所述局部接触容差作为边界匹配阈值，对布尔差运算后的几何实体执行布尔碎片化运算，生成共形的第一母材体、第二母材体和焊缝体；

23、当所述布尔差运算和/或所述布尔碎片化运算失败时，基于预设调整规则调整所述全局容差和/或局部接触容差，并重新执行相应运算，直至运算成功或达到预设调整次数上限。

24、在本说明书的一些实施例中，当所述焊缝包括按照焊接顺序排列的多道焊缝时，所述布尔差运算按照焊接顺序的逆序逐道执行：

25、对于每一道焊缝的几何实体，依次从当前的第一几何实体和第二几何实体中扣除该道焊缝几何实体所占用的空间区域；

26、每道焊缝被扣除后，提取该道焊缝与母材的接触面信息，并将所述接触面信息传递给下一道焊缝的布尔差运算。

27、在本说明书的一些实施例中，所述方法还包括：

28、根据所述接头类型信息确定所述三维实体模型的焊缝区域的加密系数；

29、确定所述第一母材的厚度与所述第二母材的厚度的比值，并基于所述比值确定所述三维实体模型的各母材区域的第一网格调整系数；

30、根据所述坡口角度确定坡口面区域和坡口根部区域的第二网格调整系数；

31、根据所述几何参数信息中的焊道数量，确定各焊道区域及焊道间界面区域的第三网格调整系数；

32、根据所述焊缝体的曲率半径、特征尺寸和实体交汇数量，确定所述焊缝体的第四网格调整系数；

33、基于所述加密系数、所述第一网格调整系数、所述第二网格调整系数、所述第三网格调整系数和所述第四网格调整系数，确定所述焊缝体对应的第一网格尺寸、所述第一母材体和所述第二母材体对应的第二网格尺寸、以及所述焊缝体的第三网格尺寸；

34、基于所述第一网格尺寸对所述焊缝体进行网格划分，基于所述第二网格尺寸对所述第一母材体和所述第二母材体进行网格划分，基于所述第三网格尺寸对所述焊缝体进行网格划分，生成有限元网格模型。

35、在本说明书的一些实施例中，所述方法还包括：

36、对所述第一母材体、所述第二母材体和所述焊缝体进行语义标记，生成包含分区标识信息的三维实体模型；其中，所述分区标识信息至少包括分别对应于所述第一母材体、所述第二母材体和所述焊缝体的体标识，以及分别对应于所述三维实体模型的多个外表面的面标识。

37、在本说明书的一些实施例中，所述对所述第一母材体、所述第二母材体和所述焊缝体进行语义标记之后，还包括：

38、根据所述分区标识信息，自动识别所述三维实体模型的各外表面；

39、根据各外表面的空间位置和所述分区标识信息中的面标识，确定各外表面的温度边界类型和力学边界类型；其中，所述温度边界类型包括对流换热边界、辐射换热边界、传导换热边界和绝热边界中的至少一种，所述力学边界类型包括固定位移约束、对称约束、法向约束和弹性约束中的至少一种；

40、根据所述目标焊接接头的焊接工艺类型和材料类型，确定各温度边界类型的换热参数和各力学边界类型的约束参数；

41、将各外表面的温度边界类型、各外表面的力学边界类型、各温度边界类型的换热参数和各力学边界类型的约束参数，施加于对应的外表面。

42、在本说明书的一些实施例中，所述方法还包括：

43、从所述三维实体模型中提取焊道数量各道焊缝的焊缝长度；

44、根据所述几何参数信息中的焊道数量、各道焊缝的长度以及焊接速度，生成焊接分析步序列和冷却分析步序列；

45、在焊接分析步序列的各焊接分析步中，根据所述三维实体模型所包含的分区标识信息定位对应焊道的焊缝体单元，并将热载荷加载于所定位的焊缝体单元上，且所述热载荷仅在当前焊接分析步中生效；

46、在冷却分析步序列的冷却分析步中，根据预设的夹具释放策略确定当前冷却分析步的夹具释放比例，按照所述夹具释放比例逐步减小夹具接触面的约束刚度；

47、在所述三维实体模型上执行温度场分析，获得所述三维实体模型的温度场分布。

48、在本说明书的一些实施例中，所述在所述三维实体模型上执行温度场分析，获得所述三维实体模型的温度场分布之后，还包括：

49、基于所述三维实体模型构建力学分析模型；

50、将所述温度场分布的节点温度映射至力学分析模型；

51、根据所述三维实体模型所包含的分区标识信息，在所述力学分析模型上施加力学边界条件；

52、在所述力学分析模型上执行应力场分析，获得所述三维实体模型的应力场分布和变形分布。

53、本说明书第二方面提供一种焊接接头的三维实体模型构建装置，包括：

54、获取模块，用于获取目标焊接接头的几何参数信息和接头类型信息，所述几何参数信息至少包括第一母材的厚度和宽度、第二母材的厚度和宽度、坡口角度以及装配间隙；

55、第一生成模块，用于根据所述几何参数信息和所述接头类型信息，分别生成对应于所述第一母材的第一几何实体和对应于所述第二母材的第二几何实体；

56、确定模块，用于根据所述接头类型信息和所述几何参数信息，确定焊缝截面的多个控制点的空间坐标，并基于所述多个控制点的空间坐标生成所述目标焊接接头对应的焊缝的第三几何实体；

57、第二生成模块，用于对所述第一几何实体、第二几何实体和第三几何实体执行布尔运算，生成包含共形的第一母材体、第二母材体和焊缝体的三维实体模型。

58、本说明书第三方面提供一种电子设备，包括：存储器和处理器，所述处理器和所述存储器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而实现第一方面任一项所述方法的步骤。

59、本说明书第四方面提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现第一方面任一项所述方法的步骤。

60、本说明书第五方面提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。

61、基于本说明书实施例中提供的焊接接头的三维实体模型构建方法、装置以及设备，通过获取目标焊接接头的几何参数信息和接头类型信息，根据几何参数信息和接头类型信息分别生成对应于第一母材的第一几何实体和对应于第二母材的第二几何实体，并根据接头类型信息和几何参数信息确定焊缝截面的多个控制点的空间坐标，基于该多个控制点的空间坐标生成焊缝对应的第三几何实体，最后对第一几何实体、第二几何实体和第三几何实体执行布尔运算，生成包含共形的第一母材体、第二母材体和焊缝体的三维实体模型。通过上述方法，可以实现焊接接头模型中母材部分的参数化自动构建，无需依赖预先存在的三维装配模型，可以实现从参数到几何的正向构建，提升焊接接头三维实体模型的构建效率与模型规范性；并且，根据接头类型信息和几何参数信息确定焊缝截面的多个控制点的空间坐标，可以自适应地适配不同接头类型和不同尺寸参数下的焊缝形貌，无需针对每种接头类型单独设计建模流程，能够有效提高模型构建方法的通用性和可扩展性；进而，通过对三个几何实体执行布尔运算三维实体模型，使得所生成的三维实体模型中不同区域之间具有共形的边界，为后续有限元分析中的网格划分、材料赋值和边界条件施加提供模型基础，无需人工对模型进行二次修复或分区处理，可以有效提高从几何建模到仿真分析的效率。