專利名稱：平板堆焊成形過程模擬與仿真的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于虛擬焊接培訓(xùn)領(lǐng)域中平板堆焊焊縫成形過程的模擬與仿真，具體涉及
一種虛擬的平板堆焊成形過程模擬與仿真的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
隨著計(jì)算機(jī)及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，將虛擬焊接模擬培訓(xùn)系統(tǒng)引入傳統(tǒng)焊接培訓(xùn)過 程中已成為可能。虛擬焊接模擬培訓(xùn)系統(tǒng)通過將焊接過程中的視、聽、觸覺等作用于焊接操 作者，使之產(chǎn)生身臨其境的交互感。該系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識(shí)別、智 能技術(shù)、傳感技術(shù)、語(yǔ)言處理與音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門學(xué)科，是現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)
一步發(fā)展與應(yīng)用。 虛擬焊接模擬培訓(xùn)系統(tǒng)中平板堆焊的焊接場(chǎng)景包括熔池、焊縫、弧光、飛濺、煙霧 等，其中虛擬熔池與焊縫成形過程是虛擬焊接場(chǎng)景中的核心。焊工在焊接過程中根據(jù)看到 的熔池與焊縫成形過程來(lái)調(diào)整焊接操作，因此虛擬場(chǎng)景中的熔池與焊縫成形過程越接近真 實(shí)情況對(duì)焊工的培訓(xùn)效果就越好。由此可見，虛擬熔池與焊縫模型的建立至關(guān)重要。
隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展出現(xiàn)了很多建模技術(shù)，普通的建模技術(shù)是基于幾何造型 的建模技術(shù)，只是對(duì)實(shí)體做簡(jiǎn)單點(diǎn)、線、面的堆積。由于建模的實(shí)體越來(lái)越復(fù)雜，而且需要表 現(xiàn)實(shí)體的更多細(xì)節(jié)，比如模擬動(dòng)態(tài)的煙霧、云彩、瀑布等，普通的建模方法已經(jīng)難于勝任，相 應(yīng)的產(chǎn)生了一些新的動(dòng)態(tài)建模方法，比如網(wǎng)格法和粒子系統(tǒng)。 網(wǎng)格法建模是目前廣泛使用的一種曲面建模方法，即利用大量細(xì)小的三角形或多 邊形網(wǎng)格拼接成實(shí)體的不規(guī)則表面，其中利用三角形網(wǎng)格來(lái)描繪三維實(shí)體是最為有效和常 用的方法。這主要是因?yàn)槔萌切尉W(wǎng)格來(lái)繪制三維實(shí)體具有很多優(yōu)點(diǎn)(l)三角形的拓 撲結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，利用三角形描述實(shí)體難度相對(duì)較低，而且足夠多的三角形可以比較精確 的逼近復(fù)雜實(shí)體；(2)實(shí)現(xiàn)時(shí)，三角形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)便于處理；(3)三角形的特征不會(huì)因?yàn)橥?影變化而發(fā)生改變，比較穩(wěn)定。 目前已有的虛擬熔池與焊縫模型多數(shù)是采用圓柱體、六面體和扁球體等簡(jiǎn)單幾何 體模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的重復(fù)疊加，雖然有些模型能表現(xiàn)出焊后焊縫表面的魚鱗紋狀形貌，但是 焊接過程中熔池與焊縫的成形是一個(gè)動(dòng)態(tài)漸變的過程，用簡(jiǎn)單幾何體模型，焊縫成形的模 擬是以幾何體為單元，每次增加一個(gè)幾何體表示焊縫的生長(zhǎng)，這樣不能細(xì)膩地表現(xiàn)熔池與 焊縫各部分的顏色和形狀變化，因此需要對(duì)建模模型進(jìn)一步研究，以表現(xiàn)熔池與焊縫的細(xì) 節(jié)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠解決現(xiàn)有虛擬熔池與焊縫成形過程中所建立的 模型無(wú)法實(shí)時(shí)模擬熔池與焊縫成形的動(dòng)態(tài)漸變過程的問題，通過網(wǎng)格法建立焊道、熔池和 焊縫一體化模型，以實(shí)現(xiàn)在虛擬焊接場(chǎng)景中熔池與焊縫成形的動(dòng)態(tài)效果，并通過網(wǎng)格頂點(diǎn) 的不斷變化來(lái)表現(xiàn)熔池與焊縫成形的細(xì)節(jié)，且系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不受限制的平板堆焊成形過程模擬與仿真的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)方法。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是
1)焊道、熔池及焊縫的網(wǎng)格一體化模型 焊道、熔池及焊縫的網(wǎng)格一體化模型是指采用大量三角形拼接成網(wǎng)格焊道平面， 同時(shí)對(duì)網(wǎng)格三角形的頂點(diǎn)定義各種屬性值，在模擬與仿真過程中，通過控制三角形頂點(diǎn)的 運(yùn)動(dòng)及頂點(diǎn)各種屬性值的變化來(lái)改變?nèi)切蔚男螤睢⑷∠蚝皖伾?，從而?lái)模擬熔池與焊縫 的復(fù)雜曲面，三角形的頂點(diǎn)屬性通過三角形頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)體中的參數(shù)表征
以floatx， y， z定義頂點(diǎn)的坐標(biāo)，其中x是垂直焊縫方向，y是垂直試板平面的方 向，z是沿著焊縫方向；屬性visiable表示是否繪制三角形；屬性solidorliquid用來(lái)表示 頂點(diǎn)當(dāng)前是處于固態(tài)還是液態(tài)；以float r， g， b定義頂點(diǎn)的顏色；屬性normalx、 normaly、 normalz用來(lái)計(jì)算頂點(diǎn)的法向量；T定義為每個(gè)頂點(diǎn)溫度； 模擬焊接時(shí)，引弧成功之后判斷頂點(diǎn)是否處于電弧加熱范圍，將處于加熱范圍的 頂點(diǎn)設(shè)置為可見，并設(shè)置頂點(diǎn)的各種屬性，然后根據(jù)這些頂點(diǎn)繪制三角形，在焊接過程中頂 點(diǎn)的坐標(biāo)按一定的規(guī)律變化，從而模擬焊接過程中熔池和焊縫的成形過程；
2)熔池的模擬 焊接過程中，電弧在焊條和焊件之間燃燒，當(dāng)加熱一段時(shí)間后，試板上被電弧加熱 區(qū)域中的金屬溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，開始熔化并形成熔池；熔池形成之后，焊條金屬熔滴借重力 和電弧氣體吹力向熔池過渡，熔池中的液態(tài)金屬逐漸增加，在各種力的作用下發(fā)生凹陷，對(duì) 熔池凹陷的模擬也采用高斯分布的形貌，隨著電弧在某一點(diǎn)作用時(shí)間的增加，熔池凹陷的 深度增加，網(wǎng)格三角形頂點(diǎn)的y坐標(biāo)下降表示熔池的凹陷，在模擬中提出熔池凹陷函數(shù)，即 公式1來(lái)計(jì)算頂點(diǎn)y坐標(biāo)的下降量即模擬熔池的凹陷量， A戶—V^普(公式1) 式中Ay為頂點(diǎn)y坐標(biāo)下降的幅度；k5為系數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)k5控制熔池凹陷的 快慢A為頂點(diǎn)與電弧中心X方向的距離； 為控制橢球的長(zhǎng)度即熔池的長(zhǎng)度，與焊接電流 有關(guān)；R,為頂點(diǎn)與電弧中心z方向的距離；b,為控制橢球的寬度即熔池的寬度，與焊接電流 有關(guān)；通過該熔池凹陷函數(shù)及0penGL的渲染功能得到的模擬熔池效果；
3)焊縫成形的模擬 在焊接過程中，隨著熔滴向熔池的過渡，焊條和焊件連續(xù)熔化形成新的熔池，原先 熔池中的液態(tài)金屬在焊接中各種力的作用下被推向熔池后方，在溫度降到熔點(diǎn)以下時(shí)凝固 成焊縫，熔池后方液態(tài)金屬生長(zhǎng)的高度就是焊縫的高度，采用高斯分布的模型為基礎(chǔ)，在這 些地方的點(diǎn)的y坐標(biāo)需要向上增加以模擬焊縫生長(zhǎng)的過程，y坐標(biāo)的生長(zhǎng)量即模擬焊縫的 余高量按式2計(jì)算Ay = &6e—(公式2) 式中Ay為頂點(diǎn)y坐標(biāo)上升的幅度；k6為比例系數(shù)，控制模擬焊縫生長(zhǎng)的快慢； R為頂點(diǎn)距離電弧中心的距離，通過該焊縫余高生長(zhǎng)函數(shù)及0penGL的渲染功能得到的模擬 焊縫與真實(shí)焊縫比較效果圖。 本發(fā)明頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)體中屬性visiable表示是否繪制三角形，焊條走過后visiable為true,繪制三角形，焊條未走過的地方visiable為false,不繪制三角形，初始狀態(tài)為 false，不繪制任何三角形； 屬性solidorliquid用來(lái)表示頂點(diǎn)當(dāng)前是處于固態(tài)還是液態(tài)，當(dāng)溫度高于熔點(diǎn)就 處于液態(tài)，當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)就處于固態(tài)，初始狀態(tài)為固態(tài)； 屬性r， g， b表示顏色，用來(lái)顯示焊接過程中熔池與焊縫顏色的變化，屬性 normalx， normaly， normalz是用來(lái)計(jì)算頂點(diǎn)的法向量，初始狀態(tài)全部為0 ;
屬性T表示頂點(diǎn)處的溫度，根據(jù)溫度來(lái)確定上面的顏色屬性和狀態(tài)屬性，初始狀 態(tài)為T = 25。 本發(fā)明在確定屬性后繪制網(wǎng)格三角形是在0penGL中根據(jù)頂點(diǎn)繪制的多邊形分正 面和反面，網(wǎng)格三角形的三個(gè)頂點(diǎn)按逆時(shí)針排列的一面是正面可以直接顯示，頂點(diǎn)按順時(shí) 針排列的是反面之后轉(zhuǎn)180度才能看到。在繪制三角形的時(shí)頂點(diǎn)排列統(tǒng)一用逆時(shí)針排列， 為了按逆時(shí)針方向排列頂點(diǎn)繪制三角形，將三角形分為四種偶數(shù)行正三角形，偶數(shù)行負(fù)三 角形，奇數(shù)行負(fù)三角形，奇數(shù)行正三角形，經(jīng)過循環(huán)繪制這四類三角形得到網(wǎng)格平面圖。
本發(fā)明通過對(duì)平板堆焊熔池與焊縫成形過程的綜合分析，將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的網(wǎng) 格法用于焊接熔池與焊縫成形的模擬與仿真，構(gòu)建了以平面三角形網(wǎng)格為基礎(chǔ)的焊道、熔 池及焊縫模型；結(jié)合高斯熱源模型得到了熔池凹陷及焊縫余高生長(zhǎng)函數(shù)，并以此為基礎(chǔ)控 制焊道平面上各三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，從而形成凹陷的網(wǎng)格熔池及網(wǎng)格焊縫，有效地表 征了實(shí)際焊后魚鱗紋狀焊縫形貌。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，集成系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，模擬效果逼真。
圖1是本發(fā)明試板坐標(biāo)系的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明三角形繪制流程圖； 圖3是本發(fā)明網(wǎng)格三角形的繪制圖； 圖4是本發(fā)明繪制網(wǎng)格的效果圖； 圖5是本發(fā)明網(wǎng)格焊道的平面效果圖； 圖6是本發(fā)明電弧熱量分布圖，其中橫坐標(biāo)為距電弧中心的距離，縱坐標(biāo)為電弧 熱量值； 圖7是本發(fā)明模擬熔池的網(wǎng)格圖； 圖8是本發(fā)明模擬熔池的效果圖； 圖9是本發(fā)明模擬焊縫的生長(zhǎng)圖； 圖10是本發(fā)明模擬焊縫的效果圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 網(wǎng)格法是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中建模的一種重要的方法，每個(gè)網(wǎng)格都是一個(gè)多邊形，采 用多邊形來(lái)構(gòu)建復(fù)雜曲面，在對(duì)不規(guī)則曲面進(jìn)行建模時(shí)有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，隨著網(wǎng)格的細(xì)化 能細(xì)膩的表現(xiàn)實(shí)體的細(xì)節(jié)，達(dá)到較好的模擬效果，采用網(wǎng)格建模方法適應(yīng)性強(qiáng)，能真實(shí)表現(xiàn) 實(shí)體的細(xì)節(jié)。由于空間任意三點(diǎn)可以確定一個(gè)平面，因此常被選用的多邊形是三角形。焊 接過程中熔池與焊縫的表面是動(dòng)態(tài)變化的不規(guī)則曲面，因此用平面三角形網(wǎng)格對(duì)焊道、熔
6池及焊縫進(jìn)行建模。 焊道、熔池及焊縫的網(wǎng)格一體化模型 焊道、熔池及焊縫的網(wǎng)格一體化模型是指采用大量三角形拼接成網(wǎng)格焊道平面，
同時(shí)對(duì)網(wǎng)格三角形的頂點(diǎn)定義各種屬性值。在模擬與仿真過程中，通過控制三角形頂點(diǎn)的
運(yùn)動(dòng)及頂點(diǎn)各種屬性值的變化來(lái)改變?nèi)切蔚男螤?、取向、顏色等，從而?lái)模擬熔池與焊縫
的復(fù)雜曲面，三角形的頂點(diǎn)屬性通過三角形頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)體中的參數(shù)表征 以float x，y，z表示頂點(diǎn)的坐標(biāo)，其中x是垂直焊縫方向，y是垂直試板平面的方
向，z是沿著焊縫方向，如圖1所示坐標(biāo)系。 由于網(wǎng)格越細(xì)越能表現(xiàn)熔池與焊縫的細(xì)節(jié)，但是網(wǎng)格太細(xì)會(huì)降低渲染速度影響系
統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，因此在繪制三角形網(wǎng)格平面時(shí)要考慮三角形的邊長(zhǎng)及數(shù)量以保證可以同時(shí)兼
顧細(xì)節(jié)描繪與整個(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求，因此應(yīng)定義頂點(diǎn)數(shù)組來(lái)管理所有頂點(diǎn)。 屬性visiable表示是否繪制三角形，因?yàn)橹挥泻笚l走過的地方才應(yīng)該根據(jù)頂點(diǎn)
繪制三角形用來(lái)表示熔池與焊縫的成形過程，焊條未走過的地方就不能繪制三角形，所以
要用這個(gè)屬性來(lái)表示是否繪制三角形，焊條走過后visiable為true,繪制三角形，焊條未
走過的地方visiable為false,不繪制三角形。初始狀態(tài)為false,不繪制任何三角形。 屬性solidorliquid用來(lái)表示頂點(diǎn)當(dāng)前是處于固態(tài)還是液態(tài)，因?yàn)楹附舆^程中涉
及到熔化和凝固的問題，當(dāng)處于液態(tài)時(shí)因?yàn)槭艿礁鞣N力的作用而發(fā)生變形，而在固態(tài)時(shí)不
會(huì)發(fā)生形狀的變化，這兩種狀態(tài)有著不同的演化規(guī)律，因此需要這樣一個(gè)屬性來(lái)標(biāo)識(shí)頂點(diǎn)
所處的狀態(tài)，這兩種狀態(tài)也可以互相轉(zhuǎn)化，當(dāng)溫度高于熔點(diǎn)就處于液態(tài)，當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)就
處于固態(tài)。初始狀態(tài)為固態(tài)。 屬性r， g， b表示顏色，用來(lái)顯示焊接過程中熔池與焊縫顏色的變化，屬性 normalx， normaly， normalz是用來(lái)計(jì)算頂點(diǎn)的法向量，這是后來(lái)用作平滑處理需要的。初 始狀態(tài)全部為O。 屬性T表示頂點(diǎn)處的溫度，根據(jù)溫度來(lái)確定上面的顏色屬性和狀態(tài)屬性。初始狀 態(tài)為T = 25。 程序的運(yùn)行過程如圖2所示。先將試板中間部分的焊道區(qū)域網(wǎng)格化，引弧成功之 后判斷頂點(diǎn)是否處于電弧加熱范圍，將處于加熱范圍的頂點(diǎn)設(shè)置為可見，并設(shè)置頂點(diǎn)的各 種屬性，然后根據(jù)這些頂點(diǎn)繪制三角形。 確定以上幾個(gè)屬性之后就可以進(jìn)行網(wǎng)格三角形的繪制。在0penGL中根據(jù)頂點(diǎn)繪 制的多邊形分正面和反面，網(wǎng)格三角形的三個(gè)頂點(diǎn)按逆時(shí)針排列的一面是正面可以直接顯 示，頂點(diǎn)按順時(shí)針排列的是反面之后轉(zhuǎn)180度才能看到。在繪制三角形的時(shí)頂點(diǎn)排列統(tǒng)一 用逆時(shí)針排列，如圖3所示，為了按逆時(shí)針方向排列頂點(diǎn)繪制三角形，可以將三角形分為四 種偶數(shù)行正三角形(圖中標(biāo)號(hào)1的三角形)，偶數(shù)行負(fù)三角形(圖中標(biāo)號(hào)2的三角形)，奇 數(shù)行負(fù)三角形(圖中標(biāo)號(hào)3的三角形)，奇數(shù)行正三角形(圖中標(biāo)號(hào)4的三角形)，經(jīng)過循 環(huán)繪制這四類三角形得到如圖4的網(wǎng)格平面。 利用該模型得到網(wǎng)格焊道平面效果如圖5所示。模擬熔池與焊縫的動(dòng)態(tài)成形過程
將在這個(gè)網(wǎng)格焊道平面上實(shí)現(xiàn)。 模擬熔池與焊縫成形 網(wǎng)格法實(shí)現(xiàn)平板堆焊過程中熔池與焊縫模擬的核心過程可以分為兩個(gè)部分(l)如何合理地繪制網(wǎng)格焊道平面；(2)如何控制網(wǎng)格焊道三角形頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。而模擬熔池與
焊縫的動(dòng)態(tài)成形過程就是靠控制網(wǎng)格焊道三角形頂點(diǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 熔池的模擬 焊接過程中，電弧在焊條和焊件之間燃燒，當(dāng)加熱一段時(shí)間后，試板上被電弧加熱 區(qū)域中的金屬溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，開始熔化并形成熔池；熔池形成之后，焊條金屬熔滴借重力 和電弧氣體吹力向熔池過渡，熔池中的液態(tài)金屬逐漸增加，在各種力的作用下發(fā)生凹陷。凹 陷過程非常復(fù)雜，需要考慮的因素很多，為了模擬的方便，平板堆焊模擬中只考慮了電弧力 的作用，而電弧力與電流密度成正比，呈高斯分布如圖6所示，因此對(duì)熔池凹陷的模擬也采 用高斯分布的形貌，隨著電弧在某一點(diǎn)作用時(shí)間的增加，熔池凹陷的深度增加，對(duì)應(yīng)圖1所 示的坐標(biāo)系，網(wǎng)格三角形頂點(diǎn)的y坐標(biāo)下降表示熔池的凹陷，在模擬中提出熔池凹陷函數(shù)， 即公式1來(lái)計(jì)算頂點(diǎn)y坐標(biāo)的下降量(模擬熔池的凹陷量)。模擬熔池的網(wǎng)格效果如圖7 所示。Ap々^+等)(公式" 式中Ay為頂點(diǎn)y坐標(biāo)下降的幅度；k5為系數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)k5控制熔池凹陷的 快慢A為頂點(diǎn)與電弧中心X方向的距離； 為控制橢球的長(zhǎng)度即熔池的長(zhǎng)度，與焊接電流 有關(guān)；R,為頂點(diǎn)與電弧中心z方向的距離；b,為控制橢球的寬度即熔池的寬度，與焊接電流有關(guān)。 通過該熔池凹陷函數(shù)及0penGL的渲染功能得到的模擬熔池效果如圖8所示。
焊縫成形的模擬 在焊接過程中，隨著熔滴向熔池的過渡，焊條和焊件連續(xù)熔化形成新的熔池，原先 熔池中的液態(tài)金屬在焊接中各種力的作用下被推向熔池后方，在溫度降到熔點(diǎn)以下時(shí)凝固 成焊縫，熔池后方液態(tài)金屬生長(zhǎng)的高度就是焊縫的高度。因此，焊縫余高對(duì)模擬整個(gè)焊縫成 形非常重要。 這里仍然采用高斯分布的模型為基礎(chǔ)，提出焊縫余高生長(zhǎng)函數(shù)來(lái)模擬焊縫成形過 程中的余高量。模擬焊縫成形動(dòng)態(tài)過程的示意圖如圖9所示，圖中圓圈表示當(dāng)前位置的電 弧中心，在電弧后方的黑點(diǎn)代表目前還處于液態(tài)的點(diǎn)，在這些地方的點(diǎn)的y坐標(biāo)需要向上 增加以模擬焊縫生長(zhǎng)的過程。y坐標(biāo)的生長(zhǎng)量(模擬焊縫的余高量)按式2計(jì)算
Ay = &6e—"2 (公式2) 式中Ay為頂點(diǎn)y坐標(biāo)上升的幅度；k6為比例系數(shù)，控制模擬焊縫生長(zhǎng)的快慢；R 為頂點(diǎn)距離電弧中心的距離。 焊縫的生長(zhǎng)按如下規(guī)則進(jìn)行，熔池具有一定的長(zhǎng)度，在這個(gè)長(zhǎng)度范圍內(nèi)的處于液 態(tài)的點(diǎn)的y坐標(biāo)生長(zhǎng)，在圖9中頂點(diǎn)2處于焊道上，頂點(diǎn)1和3分別處于焊道兩側(cè)，因此R2 比&和R3小，對(duì)于式2中e的負(fù)指數(shù)函數(shù)，指數(shù)R越小函數(shù)值越大，因此位于焊道中心的點(diǎn) 的Ay最大，生長(zhǎng)速度最快，偏離焊道中心越遠(yuǎn)的地方Ay越小，生長(zhǎng)速度越慢。通過該焊 縫余高生長(zhǎng)函數(shù)及0penGL的渲染功能得到的模擬焊縫與真實(shí)焊縫比較效果如圖10所示。
權(quán)利要求
一種平板堆焊成形過程模擬與仿真的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于1)焊道、熔池及焊縫的網(wǎng)格一體化模型焊道、熔池及焊縫的網(wǎng)格一體化模型是指采用大量三角形拼接成網(wǎng)格焊道平面，同時(shí)對(duì)網(wǎng)格三角形的頂點(diǎn)定義各種屬性值，在模擬與仿真過程中，通過控制三角形頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)及頂點(diǎn)各種屬性值的變化來(lái)改變?nèi)切蔚男螤睢⑷∠蚝皖伾?，從而?lái)模擬熔池與焊縫的復(fù)雜曲面，三角形的頂點(diǎn)屬性通過三角形頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)體中的參數(shù)表征以float x，y，z定義頂點(diǎn)的坐標(biāo)，其中x是垂直焊縫方向，y是垂直試板平面的方向，z是沿著焊縫方向；屬性visiable表示是否繪制三角形；屬性solidorliquid用來(lái)表示頂點(diǎn)當(dāng)前是處于固態(tài)還是液態(tài)；以float r，g，b定義頂點(diǎn)的顏色；屬性normalx、normaly、normalz用來(lái)計(jì)算頂點(diǎn)的法向量；T定義為每個(gè)頂點(diǎn)溫度；模擬焊接時(shí)，引弧成功之后判斷頂點(diǎn)是否處于電弧加熱范圍，將處于加熱范圍的頂點(diǎn)設(shè)置為可見，并設(shè)置頂點(diǎn)的各種屬性，然后根據(jù)這些頂點(diǎn)繪制三角形，在焊接過程中頂點(diǎn)的坐標(biāo)按一定的規(guī)律變化，從而模擬焊接過程中熔池和焊縫的成形過程；2)熔池的模擬焊接過程中，電弧在焊條和焊件之間燃燒，當(dāng)加熱一段時(shí)間后，試板上被電弧加熱區(qū)域中的金屬溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，開始熔化并形成熔池；熔池形成之后，焊條金屬熔滴借重力和電弧氣體吹力向熔池過渡，熔池中的液態(tài)金屬逐漸增加，在各種力的作用下發(fā)生凹陷，對(duì)熔池凹陷的模擬也采用高斯分布的形貌，隨著電弧在某一點(diǎn)作用時(shí)間的增加，熔池凹陷的深度增加，網(wǎng)格三角形頂點(diǎn)的y坐標(biāo)下降表示熔池的凹陷，在模擬中提出熔池凹陷函數(shù)，即公式1來(lái)計(jì)算頂點(diǎn)y坐標(biāo)的下降量即模擬熔池的凹陷量， <mrow><mi>Δy</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><msub> <mi>k</mi> <mn>5</mn></msub><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><msup> <msub><mi>R</mi><mi>x</mi> </msub> <mn>2</mn></msup><msup> <msub><mi>a</mi><mi>x</mi> </msub> <mn>2</mn></msup> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac><msubsup> <mi>R</mi> <mi>z</mi> <mn>2</mn></msubsup><msubsup> <mi>b</mi> <mi>z</mi> <mn>2</mn></msubsup> </mfrac> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msup> </mrow>(公式1)式中Δy為頂點(diǎn)y坐標(biāo)下降的幅度；k5為系數(shù)，可以通過調(diào)節(jié)k5控制熔池凹陷的快慢；Rx為頂點(diǎn)與電弧中心x方向的距離；ax為控制橢球的長(zhǎng)度即熔池的長(zhǎng)度，與焊接電流有關(guān)；Rz為頂點(diǎn)與電弧中心z方向的距離；bz為控制橢球的寬度即熔池的寬度，與焊接電流有關(guān)；通過該熔池凹陷函數(shù)及OpenGL的渲染功能得到的模擬熔池效果；3)焊縫成形的模擬在焊接過程中，隨著熔滴向熔池的過渡，焊條和焊件連續(xù)熔化形成新的熔池，原先熔池中的液態(tài)金屬在焊接中各種力的作用下被推向熔池后方，在溫度降到熔點(diǎn)以下時(shí)凝固成焊縫，熔池后方液態(tài)金屬生長(zhǎng)的高度就是焊縫的高度，采用高斯分布的模型為基礎(chǔ)，在這些地方的點(diǎn)的y坐標(biāo)需要向上增加以模擬焊縫生長(zhǎng)的過程，y坐標(biāo)的生長(zhǎng)量即模擬焊縫的余高量按式2計(jì)算 <mrow><mi>Δy</mi><mo>=</mo><msub> <mi>k</mi> <mn>6</mn></msub><msup> <mi>e</mi> <mrow><mo>-</mo><msup> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msup> </mrow></msup> </mrow>(公式2)式中Δy為頂點(diǎn)y坐標(biāo)上升的幅度；k6為比例系數(shù)，控制模擬焊縫生長(zhǎng)的快慢；R為頂點(diǎn)距離電弧中心的距離，通過該焊縫余高生長(zhǎng)函數(shù)及OpenGL的渲染功能得到的模擬焊縫與真實(shí)焊縫比較效果圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板堆焊成形過程模擬與仿真的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)方法，其特征在 于頂點(diǎn)結(jié)構(gòu)體中屬性visiable表示是否繪制三角形，焊條走過后visiable為true,繪制三角形，焊條未走過的地方visiable為false,不繪制三角形，初始狀態(tài)為false,不繪制任 何三角形；屬性solidorliquid用來(lái)表示頂點(diǎn)當(dāng)前是處于固態(tài)還是液態(tài)，當(dāng)溫度高于熔點(diǎn)就處于 液態(tài)，當(dāng)溫度低于熔點(diǎn)就處于固態(tài)，初始狀態(tài)為固態(tài)；屬性r， g， b表示顏色，用來(lái)顯示焊接過程中熔池與焊縫顏色的變化，屬性normalx， normaly， normalz是用來(lái)計(jì)算頂點(diǎn)的法向量，初始狀態(tài)全部為0 ;屬性T表示頂點(diǎn)處的溫度，根據(jù)溫度來(lái)確定上面的顏色屬性和狀態(tài)屬性，初始狀態(tài)為T =25。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板堆焊成形過程模擬與仿真的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)方法，其特征在 于所述的在確定屬性后繪制網(wǎng)格三角形是在0penGL中根據(jù)頂點(diǎn)繪制的多邊形分正面和 反面，網(wǎng)格三角形的三個(gè)頂點(diǎn)按逆時(shí)針排列的一面是正面可以直接顯示，頂點(diǎn)按順時(shí)針排 列的是反面之后轉(zhuǎn)180度才能看到。在繪制三角形的時(shí)頂點(diǎn)排列統(tǒng)一用逆時(shí)針排列，為了 按逆時(shí)針方向排列頂點(diǎn)繪制三角形，將三角形分為四種偶數(shù)行正三角形，偶數(shù)行負(fù)三角 形，奇數(shù)行負(fù)三角形，奇數(shù)行正三角形，經(jīng)過循環(huán)繪制這四類三角形得到網(wǎng)格平面圖。
全文摘要
在分析傳統(tǒng)平板堆焊熔池與焊縫成形過程模擬與仿真方法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種平板堆焊成形過程模擬與仿真的網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)方法，該方法通過對(duì)平板堆焊熔池與焊縫成形過程的綜合分析，將計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的網(wǎng)格法用于焊接熔池與焊縫成形的模擬與仿真，利用OpenGL技術(shù)構(gòu)建了以平面三角形網(wǎng)格為基礎(chǔ)的焊道、熔池及焊縫模型；結(jié)合高斯熱源模型得到了熔池凹陷及焊縫余高生長(zhǎng)函數(shù)，并以此為基礎(chǔ)控制焊道平面上各三角形網(wǎng)格頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，從而形成凹陷的網(wǎng)格熔池及網(wǎng)格焊縫，有效地表征了實(shí)際焊后魚鱗紋狀焊縫形貌。經(jīng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，集成系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，模擬效果逼真。
文檔編號(hào)G09B25/02GK101719333SQ20091021939
公開日2010年6月2日 申請(qǐng)日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月9日
發(fā)明者劉川, 張建勛, 張林杰, 戴小號(hào), 朱彤, 牛靖, 田曉璇, 趙懌 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)