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(lián)網(wǎng)
焊接、3D打印是難度相對(duì)較高的數(shù)值模擬過程,在模擬溫度場及應(yīng)力場過程中,至關(guān)重要的是如何進(jìn)行熱源函數(shù)的建立和加載,同時(shí)配以符合實(shí)際試驗(yàn)工況的邊界條件才能模擬出相對(duì)準(zhǔn)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(xiàn)引用的模型被廣泛使用,但對(duì)于厚板焊接,激光深孔效應(yīng),多道多層復(fù)雜形狀焊縫,3D復(fù)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(yīng)用和給予重視。
典型的函數(shù)體熱源是高斯旋轉(zhuǎn)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(shù)熱源在一些權(quán)威文獻(xiàn)中得到了驗(yàn)證,其模擬效果確實(shí)精于普通的高斯面熱源。但是,體函數(shù)熱源也有其限制,對(duì)熱源函數(shù)加載區(qū)的網(wǎng)格密度要求較高,若想描述一個(gè)體熱源函數(shù),在X,Y,Z任意一個(gè)方向上都要有至少十幾個(gè)節(jié)點(diǎn)(甚至更多吧)來描述函數(shù)在該方向上的變化,然后施以變化的節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)才行,也就是對(duì)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)控制也要較為精確。因此,想施加體函數(shù)熱源對(duì)網(wǎng)格的基本要求是:1網(wǎng)格較密;2均勻的網(wǎng)格劃分來獲得較好選取的坐標(biāo)用以后續(xù)的坐標(biāo)變換控制熱源移動(dòng)。
關(guān)于生死單元,目前應(yīng)用也特別多,尤其對(duì)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(duì)于3D打印,生死單元也是必選的方法之一。這里明確一點(diǎn):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(shí)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(shí)候讓你無法達(dá)成這一效果。
我在任何一套焊接模擬視頻課件中,都會(huì)反復(fù)強(qiáng)調(diào)幾個(gè)概念:模型簡化的重要性,宏觀模擬與微觀模擬的區(qū)別,定性分析與定量分析的區(qū)別。當(dāng)研究目的確定后,一定要分清自己對(duì)模擬過程的訴求是什么,這點(diǎn)特別重要。
對(duì)于大部分焊接,3D打印模擬來說,也包括很多類似的移動(dòng)熱源模型,比如磨削生熱過程,路面移動(dòng)加熱過程,火焰移動(dòng)加熱過程等,一個(gè)宏觀的定性分析往往是可以獲得很多想要的結(jié)果的,也是可以滿足研究目的的,比如工藝優(yōu)化。因?yàn)槟軌蛑笇?dǎo)我們進(jìn)行工藝優(yōu)化或問題分析的不一定是一個(gè)量化指標(biāo),很多時(shí)候我們需要的僅僅是某個(gè)參數(shù)的影響,或結(jié)果的變化規(guī)律。
通過以上的總結(jié),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(jīng)模擬了材料的添加過程,若想讓結(jié)果更精確,只要控制這個(gè)添加過程就行了,比如網(wǎng)格劃密后,每次只激活一個(gè)單元格。對(duì)于這個(gè)被激活的單元格,當(dāng)然可以加一個(gè)體生熱率就夠了,因?yàn)榫W(wǎng)格密度已經(jīng)足夠了。那么,激活可以接受的一步單元格,比如激活某一個(gè)坐標(biāo)范圍內(nèi)的所有單元格,只要不影響結(jié)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(fù)雜的函數(shù)熱源,它的優(yōu)勢在哪呢?
優(yōu)勢一對(duì)網(wǎng)格劃分密度相對(duì)要求不高
優(yōu)勢二避免了復(fù)雜的函數(shù)構(gòu)建,計(jì)算收斂快,計(jì)算時(shí)間短
優(yōu)勢三適用于復(fù)雜形狀焊縫截面,多道多層焊接。
特殊指出一點(diǎn):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(dāng)研究對(duì)象為熔池內(nèi)溫度梯度分布時(shí),個(gè)人就更傾向于函數(shù)型熱源了。
接下來,我做了一個(gè)焊縫高度,或者說3D打印高度變換過程的數(shù)值模擬,結(jié)合二次開發(fā),更好的運(yùn)用了生死單元模擬材料的動(dòng)態(tài)添加,高斯體熱源模擬了熱源半徑內(nèi)的生熱率分布,從而對(duì)照國外先進(jìn)文獻(xiàn),獲得了較為滿意的結(jié)果。
對(duì)于焊縫/3D打印高度模擬,首先有一個(gè)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(gè)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(shí)際物理過程中,熱源和熔敷材料的添加送給是同步進(jìn)行的,而模擬過程必須把它分開對(duì)待從而在時(shí)間上有承接計(jì)算性。這是個(gè)先有雞還是先有蛋的問題!!
最終決定采用第一種方法,因?yàn)槭┘訜嵩春螳@得的溫度場可以二次開發(fā)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(shù),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(wǎng)格,施加高斯體熱源和相關(guān)邊界條件后求解計(jì)算。施加高斯體熱源采用選擇一定熱源半徑內(nèi)單元施加體生熱率來實(shí)現(xiàn)。比如,先施加心部區(qū)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(fā)程序判別超過熔點(diǎn)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(jìn)行下一步的熱源加載和持續(xù)求解。最終獲得了較為滿意的結(jié)果。結(jié)果部分圖片結(jié)果如下:
PS:由于該計(jì)算涉密,這里只列出較粗網(wǎng)格計(jì)算后的結(jié)果。網(wǎng)格細(xì)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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