基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法及系统与流程

1.本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法及系统。


背景技术：

2.在焊接过程中，为保证焊件有效熔化、焊缝金属熔透均匀、液态金属在接头处铺展均匀，焊枪和焊丝需要以一定的频率、角度进行摆动或倾斜，而这样的摆动或倾斜会导致电弧能量在工件表面重新分布。准确计算焊枪倾斜后电弧热流密度、电弧压力在工件上的分布，是分析、预测、优化焊缝成型、焊枪摆动或倾斜频率、角速度、角度、方向等参量的基础。现目前主要是通过电弧再分布计算参数调整法和旋转坐标系法来进行再分布计算，电弧再分布计算参数调整法在焊枪角度变化后都要通过试验验证一次计算参数，使得实验验和计算验证工作量大，且不易实现；旋转坐标系法在倾斜电弧形状发生变化后热源和电弧压力再分布计算过程难以自适应调整。因此，亟需一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法来简化计算流程，优化计算方案。


技术实现要素：

3.本发明提供一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，用以解决现有技术中电弧热-力再分布计算复杂、工作量大的技术问题，实现简单、快速建立倾斜电弧能量分布与垂直电弧能量分布的关系，获得不同焊枪角度下的电弧热、电弧压力再分布结果，为准确分析、优化焊枪摆动或倾斜参数奠定基础。
4.本发明还提供一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算系统。
5.本发明提供一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，包括如下步骤：
6.基于焊枪和工件建立几何模型，对所述几何模型进行网格划分，并形成三维结构化网格模型；
7.确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系；
8.分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系；
9.获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。
10.根据本发明提供的一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，所述基于焊枪和工件建立几何模型，对所述几何模型进行网格划分，并形成三维结构化网格模型的步骤，包括：
11.基于焊枪和工件建立几何模型，通过有限差分法、有限元法或有限体积法中的至少其中一种对所述几何模型进行网格划分，并在焊缝及焊缝周围区域进行网格细分，形成三维结构化网格模型。
12.根据本发明提供的一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，所述确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系的步骤，包括：
13.确定焊枪沿焊接方向前后倾斜，在三维结构化网络模型中以垂直于焊枪平面且距离焊枪平面h的平面作为s轴的平面，以工件所在的平面作为x轴的平面，并通过s轴和x轴构建之间坐标系。
14.根据本发明提供的一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，所述分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系的步骤，包括：
15.分别获取s轴平面以及x轴平面的热流密度关系和电弧力分布关系，确定倾斜后的热流密度与沿s轴方向的位移量正相关，倾斜后的电弧力与沿s轴方向的位移量正相关。
16.根据本发明提供的一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，所述获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力的步骤，包括：
17.以焊枪中心线与s轴和x轴的交点分别作为s0和x0，判断焊枪倾斜后对应的x轴的坐标xi与x0的关系，基于xi与x0的大小关系，获取沿s轴方向的位移量的表达式，实例化沿s轴方向的位移量的表达式获得沿s轴方向的位移量，基于沿s轴方向的位移量并结合所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。
18.根据本发明提供的一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，所述确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系的步骤，包括：
19.确定焊枪沿垂直焊接方向左右摆动，在三维结构化网络模型中以垂直于焊枪平面且距离焊枪平面h的平面作为s轴的平面，以工件所在的平面作为y轴的平面，并通过s轴和y轴构建之间坐标系。
20.根据本发明提供的一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，所述分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系的步骤，包括：
21.分别获取s轴平面以及y轴平面的热流密度关系和电弧力分布关系，确定倾斜后的热流密度与沿s轴方向的位移量正相关，倾斜后的电弧力与沿s轴方向的位移量正相关。
22.根据本发明提供的一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，所述获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力的步骤，包括：
23.以焊枪中心线与s轴和y轴的交点分别作为s0和y0，判断焊枪倾斜后对应的y轴的坐标yi与y0的关系，基于yi与y0的大小关系，获取沿s轴方向的位移量的表达式，实例化沿s轴方向的位移量的表达式获得沿s轴方向的位移量，基于沿s轴方向的位移量并结合所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。
24.根据本发明提供的一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，所述基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法还包括如下步骤：
25.建立仿真模型，将焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力的数据加载到所述仿真模型中，并设置边界条件，以输出焊接温度场和焊缝样貌。
26.本发明还提供一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算系统，包括：
27.模型建立单元，用于基于焊枪和工件建立几何模型；
28.网格划分单元，与所述模型建立单元电连接，用于对所述几何模型进行网格划分，并形成三维结构化网格模型；
29.坐标系生成单元，与所述网格划分单元电连接，用于确定焊枪的倾斜方向，并在三
维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系；
30.热力关系获取单元，与所述坐标系生成单元电连接，用于分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系；
31.结果输出单元，与所述热力关系获取单元电连接，用于获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。
32.本发明实施例提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，通过建立几何模型并形成三维结构化网格模型，在三维结构化网格模型确定焊枪的倾斜方向后建立坐标系，基于坐标系中沿垂直于焊枪平面的位移量以及热流密度关系和电弧力分布关系，来获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力，从而简单、快速地建立倾斜电弧能量分布与垂直电弧能量分布的关系，获得不同焊枪倾角下的电弧热、电弧力再分布的结果，为准确分析、优化焊枪摆动或倾斜参数奠定基础。
33.本发明实施例提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算系统，通过建立几何模型并形成三维结构化网格模型，在三维结构化网格模型确定焊枪的倾斜方向后建立坐标系，基于坐标系中沿垂直于焊枪平面的位移量以及热流密度关系和电弧力分布关系，来获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力，从而简单、快速地建立倾斜电弧能量分布与垂直电弧能量分布的关系，获得不同焊枪倾角下的电弧热、电弧力再分布的结果，为准确分析、优化焊枪摆动或倾斜参数奠定基础。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是本发明提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法的流程示意图；
36.图2是本发明提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算系统的结构示意图；
37.图3是本发明提供的焊枪沿焊接方向前后倾斜时的坐标系的结构示意图；
38.图4是本发明提供的焊枪沿垂直焊接方向左右倾斜时的坐标系的结构示意图；
39.图5是本发明提供的仿真试验结果与实际焊缝形貌的对比示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
41.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
43.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
44.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
45.下面结合图1-图5描述本发明的实施例，本实施例提供一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，包括如下步骤：
46.s100、基于焊枪和工件建立几何模型，对几何模型进行网格划分，并形成三维结构化网格模型。
47.s200、确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系。
48.s300、分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系。
49.s400、获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。
50.在本实施例中，通过建立几何模型并形成三维结构化网格模型，在三维结构化网格模型确定焊枪的倾斜方向后建立坐标系，基于坐标系中沿垂直于焊枪平面的位移量以及热流密度关系和电弧力分布关系，来获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力，从而简单、快速地建立倾斜电弧能量分布与垂直电弧能量分布的关系，获得不同焊枪倾角下的电弧热、电弧力再分布的结果，为准确分析、优化焊枪摆动或倾斜参数奠定基础。
51.根据本发明提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，基于焊枪和工件建立几何模型，对几何模型进行网格划分，并形成三维结构化网格模型的步骤，包括：
52.基于焊枪和工件建立几何模型，通过有限差分法、有限元法或有限体积法中的至少其中一种对几何模型进行网格划分，并在焊缝及焊缝周围区域进行网格细分，形成三维结构化网格模型。
53.基于三维结构化网格模型以及后续的坐标系建立，便于对数据进行快速处理以及仿真过程形成仿真结果。
54.根据本发明提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，确定焊枪的倾斜
方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系的步骤，包括：
55.确定焊枪沿焊接方向前后倾斜，在三维结构化网络模型中以垂直于焊枪平面且距离焊枪平面h的平面作为s轴的平面，以工件所在的平面作为x轴的平面，并通过s轴和x轴构建之间坐标系。
56.如图3所示，工件所在平面与焊枪平面的距离也为h，基于距离焊枪所在平面(以焊枪的端部作为参照点)与s轴和x轴的距离均为h，可以便于后续计算。
57.根据本发明提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系的步骤，包括：
58.分别获取s轴平面以及x轴平面的热流密度关系和电弧力分布关系，确定倾斜后的热流密度与沿s轴方向的位移量正相关，倾斜后的电弧力与沿s轴方向的位移量正相关。
59.具体而言，s轴平面以及x轴平面的热流密度关系和电弧力分布关系如下：
60.热流密度关系为：
61.电弧热分布关系为：
62.其中，q
xi
为电弧热在x轴平面的分布，q
si
为电弧热在s轴平面的分布，p
xi
为电弧力在x轴平面的分布，p
si
为电弧力在s轴平面的分布。δxi和δsi分别为x轴和s轴的位移量。
63.其中，在x轴方向上工件网格间距为设定值di，使δxi的值也对应为设定值di。
64.根据本发明提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力的步骤，包括：
65.以焊枪中心线与s轴和x轴的交点分别作为s0和x0，判断焊枪倾斜后对应的x轴的坐标xi与x0的关系，基于xi与x0的大小关系，获取沿s轴方向的位移量的表达式，实例化沿s轴方向的位移量的表达式获得沿s轴方向的位移量，基于沿s轴方向的位移量并结合热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。
66.具体而言，判断焊枪倾斜后对应的x轴的坐标xi与x0的关系，基于xi与x0的大小关系，获取沿s轴方向的位移量的表达式包括如下判断过程：
67.当xi＞x0时，具有如下关系：
[0068][0069]
εi＝s
i-s0＝h tan(δi)；
[0070][0071]
δx1＝h tan(φ)-k
×
di；
[0072]
其中，γi是相邻能量线间的夹角，φ是焊枪倾角，k是整数。
[0073]
当时x0＞xi＞xk时，具有如下关系：
[0074][0075][0076]
εi＝s
i-s0＝h tan(δi)；
[0077][0078]
当xk＞xi时，具有如下关系：
[0079][0080]
εi＝s
i-s0＝h tan(δi)。
[0081]
其中，δsi＝s
i+1-s
i-1
＝ε
i+1-ε
i-1
。
[0082]
根据以上关系式，当焊枪处于沿焊接方向进行前后倾斜后，在不同倾角下工件上的电弧热和电弧力的分布如下：
[0083][0084][0085]
由此便可快速知晓倾斜后的电弧热和电弧力，可以简单、快速地建立电弧能量的分布与垂直于电弧能量分布的关系，获得不同焊枪倾斜角度下的电弧热、电弧力再分布结果，为准确分析、优化焊枪摆动或倾斜参数奠定基础。
[0086]
根据本发明提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系的步骤，包括：
[0087]
确定焊枪沿垂直焊接方向左右摆动，在三维结构化网络模型中以垂直于焊枪平面且距离焊枪平面h的平面作为s轴的平面，以工件所在的平面作为y轴的平面，并通过s轴和y轴构建之间坐标系。
[0088]
如图4所示，工件所在平面与焊枪平面的距离也为h，基于距离焊枪所在平面(以焊枪的端部作为参照点)与s轴和y轴的距离均为h，可以便于后续计算。
[0089]
根据本发明提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系的步骤，包括：
[0090]
分别获取s轴平面以及y轴平面的热流密度关系和电弧力分布关系，确定倾斜后的热流密度与沿s轴方向的位移量正相关，倾斜后的电弧力与沿s轴方向的位移量正相关。
[0091]
具体而言，s轴平面以及y轴平面的热流密度关系和电弧力分布关系如下：
[0092]
热流密度关系为：
[0093]
电弧热分布关系为：
[0094]
其中，q
yi
为电弧热在y轴平面的分布，q
si
为电弧热在s轴平面的分布，p
yi
为电弧力在x轴平面的分布，p
si
为电弧力在s轴平面的分布。δyi和δsi分别为y轴和s轴的位移量。
[0095]
其中，在x轴方向上工件网格间距为设定值dj，使δyi的值也对应为设定值dj。
[0096]
根据本发明提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力的步骤，包括：
[0097]
以焊枪中心线与s轴和y轴的交点分别作为s0和y0，判断焊枪倾斜后对应的y轴的坐标yi与y0的关系，基于yi与y0的大小关系，获取沿s轴方向的位移量的表达式，实例化沿s轴方向的位移量的表达式获得沿s轴方向的位移量，基于沿s轴方向的位移量并结合热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。
[0098]
具体而言，判断焊枪倾斜后对应的y轴的坐标yi与y0的关系，基于yi与y0的大小关系，获取沿s轴方向的位移量的表达式包括如下判断过程：
[0099]
当yi＞y0时，具有如下关系：
[0100][0101]
εi＝s
i-s0＝h tan(δi)；
[0102][0103]
δy1＝h tan(φ)-k
×
dj；
[0104]
其中，γi是相邻能量线间的夹角，φ是焊枪倾角，k是整数。
[0105]
当时y0＞yi＞yk时，具有如下关系：
[0106][0107][0108]
εi＝s
i-s0＝htan(δi)；
[0109][0110]
当yk＞yi时，具有如下关系：
[0111][0112]
εi＝s
i-s0＝h tan(δii)；
[0113]
其中，δsi＝s
i+1-s
i-1
＝ε
i+1-ε
i-1
。
[0114]
根据以上关系式，当焊枪处于沿垂直焊接方向进行左右倾斜后，在不同倾角下工件上的电弧热和电弧力的分布如下：
[0115]
[0116][0117]
由此便可快速知晓倾斜后的电弧热和电弧力，可以简单、快速地建立电弧能量的分布与垂直于电弧能量分布的关系，获得不同焊枪倾斜角度下的电弧热、电弧力再分布结果，为准确分析、优化焊枪摆动或倾斜参数奠定基础。
[0118]
本发明提供的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法还包括如下步骤：
[0119]
建立仿真模型，将焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力的数据加载到仿真模型中，并设置边界条件，以输出焊接温度场和焊缝样貌。
[0120]
基于建立仿真模型并输入数据加载至模型中，可以将仿真模型计算的结果与实际焊缝形貌进行对比，如图5所示，在同一图片中，左侧为实际焊缝形貌图，右侧为仿真结果，三组对比中焊枪的出射激光的角度分别为90度、75度和60度，通过三组对比可知，计算结果与实际焊缝样貌的形状高度吻合。
[0121]
其中，在进行仿真试验的过程中，焊接温度场控制方程如下所示：
[0122][0123][0124]
其中，t为温度，λ为热导率，q
xi
为焊枪倾斜时电弧热再分布计算结果，q
yi
为焊枪摆动时电弧热再分布计算结果，h为焓。
[0125]
另一方面，如图2所示，本发明还提供一种焊枪角度的电弧热-力再分布计算系统，包括模型建立单元、网格划分单元、坐标系生成单元、热力关系获取单元和结果输出单元。其中，模型建立单元用于基于焊枪和工件建立几何模型。网格划分单元与模型建立单元电连接，用于对几何模型进行网格划分，并形成三维结构化网格模型。坐标系生成单元与网格划分单元电连接，用于确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系。热力关系获取单元与坐标系生成单元电连接，用于分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系。结果输出单元与热力关系获取单元电连接，用于获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。
[0126]
在本实施例中，通过建立几何模型并形成三维结构化网格模型，在三维结构化网格模型确定焊枪的倾斜方向后建立坐标系，基于坐标系中沿垂直于焊枪平面的位移量以及热流密度关系和电弧力分布关系，来获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力，从而简单、快速地建立倾斜电弧能量分布与垂直电弧能量分布的关系，获得不同焊枪倾角下的电弧热、电弧力再分布的结果，为准确分析、优化焊枪摆动或倾斜参数奠定基础。
[0127]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，其特征在于，包括如下步骤：基于焊枪和工件建立几何模型，对所述几何模型进行网格划分，并形成三维结构化网格模型；确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系；分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系；获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。2.根据权利要求1所述的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，其特征在于，所述基于焊枪和工件建立几何模型，对所述几何模型进行网格划分，并形成三维结构化网格模型的步骤，包括：基于焊枪和工件建立几何模型，通过有限差分法、有限元法或有限体积法中的至少其中一种对所述几何模型进行网格划分，并在焊缝及焊缝周围区域进行网格细分，形成三维结构化网格模型。3.根据权利要求2所述的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，其特征在于，所述确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系的步骤，包括：确定焊枪沿焊接方向前后倾斜，在三维结构化网络模型中以垂直于焊枪平面且距离焊枪平面h的平面作为s轴的平面，以工件所在的平面作为x轴的平面，并通过s轴和x轴构建之间坐标系。4.根据权利要求3所述的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，其特征在于，所述分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系的步骤，包括：分别获取s轴平面以及x轴平面的热流密度关系和电弧力分布关系，确定倾斜后的热流密度与沿s轴方向的位移量正相关，倾斜后的电弧力与沿s轴方向的位移量正相关。5.根据权利要求4所述的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，其特征在于，所述获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力的步骤，包括：以焊枪中心线与s轴和x轴的交点分别作为s0和x0，判断焊枪倾斜后对应的x轴的坐标x
i
与x0的关系，基于x
i
与x0的大小关系，获取沿s轴方向的位移量的表达式，实例化沿s轴方向的位移量的表达式获得沿s轴方向的位移量，基于沿s轴方向的位移量并结合所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。6.根据权利要求2所述的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，其特征在于，所述确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系的步骤，包括：确定焊枪沿垂直焊接方向左右摆动，在三维结构化网络模型中以垂直于焊枪平面且距离焊枪平面h的平面作为s轴的平面，以工件所在的平面作为y轴的平面，并通过s轴和y轴构建之间坐标系。7.根据权利要求6所述的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，其特征在于，所述分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系的步骤，包括：分别获取s轴平面以及y轴平面的热流密度关系和电弧力分布关系，确定倾斜后的热流
密度与沿s轴方向的位移量正相关，倾斜后的电弧力与沿s轴方向的位移量正相关。8.根据权利要求7所述的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，其特征在于，所述获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力的步骤，包括：以焊枪中心线与s轴和y轴的交点分别作为s0和y0，判断焊枪倾斜后对应的y轴的坐标y
i
与y0的关系，基于y
i
与y0的大小关系，获取沿s轴方向的位移量的表达式，实例化沿s轴方向的位移量的表达式获得沿s轴方向的位移量，基于沿s轴方向的位移量并结合所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。9.根据权利要求1-8中任一项所述的基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法，其特征在于，所述基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法还包括如下步骤：建立仿真模型，将焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力的数据加载到所述仿真模型中，并设置边界条件，以输出焊接温度场和焊缝样貌。10.一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算系统，其特征在于，包括：模型建立单元，用于基于焊枪和工件建立几何模型；网格划分单元，与所述模型建立单元电连接，用于对所述几何模型进行网格划分，并形成三维结构化网格模型；坐标系生成单元，与所述网格划分单元电连接，用于确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系；热力关系获取单元，与所述坐标系生成单元电连接，用于分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系；结果输出单元，与所述热力关系获取单元电连接，用于获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于所述热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。

技术总结
本发明涉及焊接技术领域，提供一种基于焊枪角度的电弧热-力再分布计算方法及系统，该方法包括如下步骤：基于焊枪和工件建立几何模型，对几何模型进行网格划分，并形成三维结构化网格模型。确定焊枪的倾斜方向，并在三维结构化网格模型中基于焊枪、工件面建立坐标系。分别获取工件面以及垂直于焊枪平面的热流密度关系和电弧力分布关系。获取倾斜后沿垂直于焊枪平面的位移量，并基于热流密度关系和电弧力分布关系获得焊枪角度倾斜后的电弧热和电弧力。从而简单、快速地建立倾斜电弧能量分布与垂直电弧能量分布的关系，获得不同焊枪倾角下的电弧热、电弧力再分布的结果，为准确分析、优化焊枪摆动或倾斜参数奠定基础。优化焊枪摆动或倾斜参数奠定基础。优化焊枪摆动或倾斜参数奠定基础。


技术研发人员：韩晓辉 张志毅 武永寿 方喜风 林森
受保护的技术使用者：中车青岛四方机车车辆股份有限公司
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/10/6