激光重熔熱力耦合場有限元分析流程

摘 要：激光重熔過程中溫度及應(yīng)力的演變決定著成形件的組織和服役性能。以ANSYS平臺為例，綜述了激光重熔過程中溫度場和應(yīng)力場的分析流程，深入討論了分析過程中的網(wǎng)格劃分、移動熱源施加、邊界條件設(shè)定、熱力耦合場、后處理等關(guān)鍵問題的處理方法，為激光重熔數(shù)值模擬提供一定的理論借鑒。

關(guān)鍵詞：激光重熔 熱力耦合場 數(shù)值模擬

中圖分類號：TG174.44文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）04（c）-0222-03

激光重熔技術(shù)是一種采用高能密度的激光束照射金屬或涂層表面，使金屬表層或涂層快速熔凝與基體形成冶金結(jié)合，從而實現(xiàn)金屬表面強化的方法[1-2]。但激光重熔過程中溫度場和應(yīng)力場的演變影響著成形件的組織、成分，進而決定著成形件的輔以性能，因此掌握激光重熔過程中熱力耦合場的分布至關(guān)重要。

但激光重熔過程時間短，物理、化學(xué)、冶金變化較為復(fù)雜，現(xiàn)有的實驗手段很難準確獲得溫度場及應(yīng)力場的分布。因此很多學(xué)者偏向于采用數(shù)值模擬的手段來掌握其溫度、應(yīng)力演變過程。該文基于ANSYS平臺，詳細綜述了激光重熔過程中溫度場及應(yīng)力場分析流程和關(guān)鍵問題的處理方法，旨在為后續(xù)溫度場與應(yīng)力場數(shù)值模擬提供必要的理論依據(jù)。

1 熱力耦合場分析方案及模型假設(shè)

在激光重熔過程中，影響重熔層組織結(jié)構(gòu)的主要因素包括材料性能、激光工藝參數(shù)，而工藝參數(shù)則是熔池溫度及形狀變化的原因，具體工藝參數(shù)包括：激光功率P、掃描速度V、光斑直徑D等。有限元模擬即將激光功率P、掃描速度V、光斑直徑D和材料熱物理性能等參數(shù)以數(shù)學(xué)模型的形式加載在所建立的模型上，從而模擬出熔池溫度場，由于溫差的存在所引起的膨脹或收縮，當(dāng)所引起的膨脹與收縮受到無外力約束時，在物體內(nèi)部產(chǎn)生由于溫度變化所引起的熱變形受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力稱之為熱應(yīng)力[3]。在ANSYS中，計算應(yīng)力場的方法有直接耦合法和間接耦合法。直接耦合即使用同時具有溫度和位移的耦合單元，進行求解之后直接得到溫度場和應(yīng)力場的結(jié)果，間接耦合即先進行溫度場求解，將得到的溫度場計算結(jié)果作為體載荷施加在應(yīng)力場中進行應(yīng)力分析。由于在激光重熔過程中同時經(jīng)歷著溫度場與應(yīng)力場的變化，嚴格意義上說其是相互耦合的，但由于應(yīng)力場對溫度場的影響較溫度場對應(yīng)力場的影響要小的多，故在數(shù)值模擬過程中一般先對溫度場進行模擬，將得到的溫度場結(jié)果作為應(yīng)力場的載荷，再進行應(yīng)力場分析，即只進行熱力單向耦合。圖1所示為ANSYS熱力耦合分析流程圖。

由于激光重熔是一個急熱驟冷的過程，故在建模時考慮了材料熱物性參數(shù)、材料力學(xué)性能隨溫度的非線性變化、相變潛熱及試樣的對流換熱和熱輻射等，一般對溫度場模型做如下假設(shè)[4]：（1）材料連續(xù)和各向同性；（2）材料表面對激光的吸收率不隨溫度變化；（3）忽略熔池流動；（4）忽略材料的汽化作用。對應(yīng)力場的假設(shè)為[5]：（1）材料連續(xù)和各向同性；（2）忽略熔池流體的流動，將流體假設(shè)成流動應(yīng)力很低的固體；（3）涂層和基體均采用彈塑性材料模型；（4）忽略材料塑性變形的生熱，即采用熱力弱耦合；（5）不考慮初始應(yīng)力。

隨溫度變化的材料熱物性參數(shù)和力學(xué) 性能參數(shù)對于瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場的模擬尤為關(guān)鍵，在輸入材料熱力學(xué)參數(shù)時，必須考慮隨溫度變化的情況，此外對于金屬而言相變潛熱的影響不可忽略，在進行溫度場分析時可采用隨溫度變化的焓值來解決相變潛熱問題。

1.1 模型建立與網(wǎng)格劃分

激光重熔過程溫度場及應(yīng)力場模擬建模時，應(yīng)當(dāng)與實際工藝相符。目前國內(nèi)外大多學(xué)者采用長方體結(jié)構(gòu)來建立有限元模型，如圖2所示，但這類模型只能模擬簡單地板類工件的激光重熔，對于回轉(zhuǎn)體類零件[6]則無法模擬，如齒輪、套筒等，在模擬這些零件的表面重熔時必須建立真實形狀的有限元模型，如果模型結(jié)構(gòu)較為對稱，可以考慮采用1/2或1/4建模方式。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，國內(nèi)外學(xué)者大多采用在Pro/E或UG等軟件中建立三維模型再通過IGES等圖形交換格式導(dǎo)入有限元分析軟件中的方法，并在數(shù)據(jù)庫里形成節(jié)點、單元等模型數(shù)據(jù)[7-9]，如圖3所示。

網(wǎng)格劃分質(zhì)量直接影響有限元分析結(jié)果的準確性和精度，因此劃分網(wǎng)格時要充分考慮計算時間和計算精度的統(tǒng)一性。網(wǎng)格細密雖然能提高精度，但大大延長分析時間；網(wǎng)格粗化，雖能減少計算時間，但計算精度無法保證。激光重熔過程的溫度場模擬屬于瞬態(tài)的熱分析過程，一般采用SOLID70及SOLID90單元進行網(wǎng)格劃分，但在實際模擬過程中還存在熱對流的問題，而在ANSYS中熱對流和熱流密度不能同時加載在SOLID70單元上，因此，仇衛(wèi)華等[10]提出了采用表面效應(yīng)單元，將其覆蓋在有熱對流的實體表面上，從而解決了這一問題，使模擬結(jié)果更加貼近實際過程。同時，在激光重熔過程中，接近熱源的區(qū)域溫度梯度較大，故對模型進行網(wǎng)格劃分時要根據(jù)精度要求，盡量密一些，而對于溫度梯度不大，精度要求不高且遠離熱源的區(qū)域則可以采用較稀疏的網(wǎng)格劃分。

1.2 移動熱源的施加

2 后處理

ANSYS主要有兩種后處理方式：通用后處理器（POST1）和時間歷程后處理器（POST26）。POST1是對整個模型在某一載荷步（時間點）的結(jié)果進行后處理，POST26則可以對模型中的特定點在所有載荷步（整個瞬態(tài)過程）的結(jié)果進行后處理。

在進行POST1后處理時，首先要保證的是數(shù)據(jù)庫中要有相應(yīng)的模型數(shù)據(jù)（節(jié)點、單元），然后再將數(shù)據(jù)從結(jié)果文件讀入數(shù)據(jù)庫。在這里可以利用SETSSUBSET或APPEND命令，即可讀取任意時間點的結(jié)果。如果設(shè)定的時間點不在任何一個時間點上，ANSYS會進行線性插值。

而POST26是用于檢查模型中指定點的分析結(jié)果與時間、頻率等的函數(shù)關(guān)系，其中一個典型用途是在瞬態(tài)分析中以圖形表示結(jié)果項與時間的關(guān)系，或者在非線性分析中以圖形表示作用力與撓度的關(guān)系[13]。

溫度場及應(yīng)力場模擬結(jié)果可以以云圖、等值線等形式直觀顯示?？梢郧逦乜闯瞿硶r刻溫度和應(yīng)力的分布情況，為工藝參數(shù)選擇和預(yù)測缺陷提供最為可靠的依據(jù)。除此之外，為了更為直觀在顯示激光重熔過程中的溫度應(yīng)力演變情況，還可以將ANSYS中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，利用專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件如Origin來進行處理。

3 結(jié)語

（1）激光重熔過程中溫度場和應(yīng)力場的分布影響著成形件質(zhì)量，對激光重熔過程進行有限元模擬可以掌握溫度場和應(yīng)力場演變規(guī)律，同時有助于工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化。

（2）激光重熔模擬過程中，模型的建立、網(wǎng)格的劃分、移動熱源的應(yīng)用、邊界條件的處理對模擬結(jié)果的準確性影響較大。

（3）有限元模擬結(jié)果可以通過溫度/應(yīng)力曲線、云圖等直觀顯示，同時可以借助Origin等數(shù)據(jù)處理軟件進行更為詳細的處理。

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