搜索論焊接，3D打印模擬的熱源模型——焊縫、3D打印高度變換模擬
2017-07-10 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
焊接、3D打印是難度相對較高的數值模擬過程,在模擬溫度場及應力場過程中,至關重要的是如何進行熱源函數的建立和加載,同時配以符合實際試驗工況的邊界條件才能模擬出相對準確的效果。
在眾多熱源模型中,雖然高斯面熱源作為眾多文獻引用的模型被廣泛使用,但對于厚板焊接,激光深孔效應,多道多層復雜形狀焊縫,3D復雜形狀打印等,都是無法滿足要求的。所以,體熱源模型被越來越多的應用和給予重視。
典型的函數體熱源是高斯旋轉體熱源(也可看做椎體熱源)和雙橢球熱源,也包括一些組合型熱源(比如高斯面熱源組合柱狀體熱源等)。這些體函數熱源在一些權威文獻中得到了驗證,其模擬效果確實精于普通的高斯面熱源。但是,體函數熱源也有其限制,對熱源函數加載區的網格密度要求較高,若想描述一個體熱源函數,在X,Y,Z任意一個方向上都要有至少十幾個節點(甚至更多吧)來描述函數在該方向上的變化,然后施以變化的節點熱流密度。而且,在這一過程中,還要能夠精確的選取到想要的節點才行,也就是對節點的坐標控制也要較為精確。因此,想施加體函數熱源對網格的基本要求是:1網格較密;2均勻的網格劃分來獲得較好選取的坐標用以后續的坐標變換控制熱源移動。
關于生死單元,目前應用也特別多,尤其對于有焊縫熔敷金屬填充的焊接工藝,生死單元幾乎是必選方案,對于3D打印,生死單元也是必選的方法之一。這里明確一點:利用殺死和激活單元并不屬于熱源模型的一部分,只是利用單元的生死來模擬材料的填充過程而已。因此,生死單元法其實是可以配合任何一種熱源模型的。比如,如果條件允許是完全可以做到生死單元+雙橢球熱源這種模擬方法的。但不要忘了它們各自的限制,很多時候讓你無法達成這一效果。
我在任何一套焊接模擬視頻課件中,都會反復強調幾個概念:模型簡化的重要性,宏觀模擬與微觀模擬的區別,定性分析與定量分析的區別。當研究目的確定后,一定要分清自己對模擬過程的訴求是什么,這點特別重要。
對于大部分焊接,3D打印模擬來說,也包括很多類似的移動熱源模型,比如磨削生熱過程,路面移動加熱過程,火焰移動加熱過程等,一個宏觀的定性分析往往是可以獲得很多想要的結果的,也是可以滿足研究目的的,比如工藝優化。因為能夠指導我們進行工藝優化或問題分析的不一定是一個量化指標,很多時候我們需要的僅僅是某個參數的影響,或結果的變化規律。
通過以上的總結,我想闡明的是為什么我特別中意于生死單元+平均體生熱率這樣的組合。生死單元本身已經模擬了材料的添加過程,若想讓結果更精確,只要控制這個添加過程就行了,比如網格劃密后,每次只激活一個單元格。對于這個被激活的單元格,當然可以加一個體生熱率就夠了,因為網格密度已經足夠了。那么,激活可以接受的一步單元格,比如激活某一個坐標范圍內的所有單元格,只要不影響結果分析,在這一步上施加平均體生熱率沒什么不好的。
生死單元+平均體生熱率的組合能做什么模擬呢?相比復雜的函數熱源,它的優勢在哪呢?
優勢一對網格劃分密度相對要求不高
優勢二避免了復雜的函數構建,計算收斂快,計算時間短
優勢三適用于復雜形狀焊縫截面,多道多層焊接。
特殊指出一點:任何一種熱源模型一定不是萬能的,生死單元+平均體生熱率也不是什么都能做。例如,當研究對象為熔池內溫度梯度分布時,個人就更傾向于函數型熱源了。
接下來,我做了一個焊縫高度,或者說3D打印高度變換過程的數值模擬,結合二次開發,更好的運用了生死單元模擬材料的動態添加,高斯體熱源模擬了熱源半徑內的生熱率分布,從而對照國外先進文獻,獲得了較為滿意的結果。
對于焊縫/3D打印高度模擬,首先有一個問題:熱源的加載和新的一層熔敷材料誰先誰后?是先施加一個熱源獲得溫度場后判別熔池形狀和下一步要激活的單元有哪些,還是先激活一部分單元施加熱源獲得溫度場后判別熔池形狀和下一步要激活的單元有哪些?在實際物理過程中,熱源和熔敷材料的添加送給是同步進行的,而模擬過程必須把它分開對待從而在時間上有承接計算性。這是個先有雞還是先有蛋的問題!!
最終決定采用第一種方法,因為施加熱源后獲得的溫度場可以二次開發判別新的熔敷層有多少單元可以被熔化,從而獲得更精確的熔池形狀和焊縫高度變化。
定義材料參數,采用mptemp和mpdata命令。
格式:
Mptemp,1,1,10,20,30,40,50,60
Mptemp,1,,70,80,90,100,110,120
…
Mpdata,dens,1,1,8001,8002,8003,8004,8005,8006
Mpdata,dens,1,,8007,8008,8009,8010,8011,8012
…
建立模型劃分網格,施加高斯體熱源和相關邊界條件后求解計算。施加高斯體熱源采用選擇一定熱源半徑內單元施加體生熱率來實現。比如,先施加心部區域的最大體生熱率。
!*******加載熱源心部的最大體生熱率************
esel,s,live
nsle,s,1
*get,livelocmax,node,0,mxloc,z
nsle,s,1
nsel,s,loc,y,(ymin+ymax)/2-dd,(ymin+ymax)/2+dd
nsel,r,loc,z,-0.5,livelocmax
nsel,r,loc,x,-dd,dd
nplot
esln,s,1
eplot
bfe,all,hgen,,HGENM
求解出溫度場后,利用二次開發程序判別超過熔點單元有哪些,并將其全部激活。局部判別語句如下:
*if,tempavg,ge,1320,then
/solu
alls
esel,s,elem,,elemnum
nsle,s,1
*get,nodeloc,node,0,mxloc,z
nsel,r,loc,z,nodeloc
esln,s
eplot
ealive,all
*endif
繼而進行下一步的熱源加載和持續求解。最終獲得了較為滿意的結果。結果部分圖片結果如下:
PS:由于該計算涉密,這里只列出較粗網格計算后的結果。網格細化后效果更好。可以看到階梯狀熔池前沿及焊縫高度和寬度上的逐漸變化。
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