本发明属于金属材料切割过程仿真分析
技术领域：
：，尤其涉及一种钢铁板材在火焰切割过程中温度和应力变化的仿真分析方法。
背景技术：
：：在机械制造中或者其他需要用到钢铁板材的行业中，往往需要根据实际需求在大钢板上进行相应的切割，切割质量的好坏对钢铁板材的利用率、工件或者其他构件的生产效率和加工及使用质量有着重要的影响。目前，钢铁板材的切割方法主要有激光切割、等离子切割、机械切割和火焰切割四种类型，其中等离子切割和激光切割都具有切割速率快、切割变形小、切缝小、热影响区小等优点，但是这两种切割方法一是设备复杂、成本高、环境适用灵活性差，二是其允许的切割厚度范围较小，所以在非尖端工程领域中应用很少。机械切割是指采用剪、锯、铣等纯机械方式进行切割，这种切割方式虽然成本低，环境适用性较好，但是切割效率过低，尤其对于厚板材，其性价比是非常低的。而火焰切割是采用可燃性气体和过量氧气进行切割的方法，它的投入成本低、切割效率高，对于任何厚度的钢铁板材都能够适用，而且环境适用灵活性高，在任何场合(厂房内、山区野外等)都能够很方便的进行切割，因此在工程领域中，尤其是对于野外作业，火焰切割方式是切割钢铁板材的不二选择，由此它也得到了广泛的应用。虽然火焰切割在钢板切割中受到广泛的青睐，但是它也存在一些不足，在实际应用中发现对于厚度值较大的钢铁板材，在进行火焰切割过程后，其切割面附近容易出现裂纹等质量缺陷。一般认为其裂纹等质量缺陷的产生与其在火焰切割过程中复杂的热量交换过程而导致的复杂的温度和应力激荡变化有巨大的关系，但是其具体影响机制尚不清晰。所以弄清楚钢板在火焰切割过程中的温度、应力变化及分布，对于进一步研究其对钢板裂纹产生的影响机制和提出相应的控制措施具有重要的实际意义。但是由于火焰切割是瞬态变化过程，所以很难采用试验的方式研究钢板在切割过程中的温度和应力变化，而目前随着计算机技术的发展，数值模拟技术为研究该过程提供了一种新的方式。但是，目前关于动态研究火焰切割过程的数值模拟仿真分析模型和方法鲜见有相关的介绍，且存在的也是采用类似焊接仿真模型的方式，然而火焰切割和焊接是有本质区别的，焊接没有高温红色态钢铁的燃烧反应过程，也没有预热火焰加热过程，所以采用类似焊接的仿真分析方法来研究火焰切割具有很大的缺陷性。技术实现要素：为解决上述现有技术的缺陷和不足，在火焰切割仿真分析模型中同时考虑预热火焰和高温红热态钢铁(1000℃以上)的燃烧反应热的影响，且将切割过程中的温度和应力变化进行耦合分析，动态逼真的反应火焰切割过程，本发明提供了一种基于apdl语言的火焰切割热-力耦合仿真分析方法。为实现上述目的，本发明提供的一种基于apdl语言的火焰切割热-力耦合仿真分析方法，通过以下技术方案实现：一种基于apdl语言的钢板火焰切割热-力耦合仿真分析方法，其特征在于：包含以下步骤：步骤1，定义单元类型和关键字：将体单元类型定义为热-力耦合单元solid226，将热-力耦合单元solid226第1条属性的关键字定义为11；将用于施加表面预热火焰热流的表面效应单元定义为surf152表面单元，以及将表面效应单元surf152第8条属性的关键字定义为1；步骤2，设置材料参数：包括导热系数、密度、比热容、弹性模量、热膨胀系数、泊松比和屈服强度；步骤3，建立模型和网格单元划分：建立与实际钢板尺寸一致的几何模型；划分的网格单元包括热-力耦合体网格单元和用于施加表面预热火焰热流的表面效应单元；步骤4，设置求解分析类型、方法和求解器：求解分析类型设置为瞬态热-结构分析，激活大变形结构分析，求解方法设置为完全牛顿法，求解器设置为稀疏直接求解器；步骤5，施加初始温度、热对流边界条件、结构约束：对钢板整体施加初始温度和在钢板表面施加表面综合热对流边界条件、对钢板的各个表面施加结构位移限定约束；步骤6，定义预热火焰热源模型：预热火焰热源采用高斯移动热源模型，其表达式如下式所示：q(r)＝q0*exp(-3*r2/r0)(1)其中，q(r)为距离热源中心r处的热流密度，q0为热流密度最大值，r为距热源中心的距离，r0为热源半径；步骤7，热载荷的施加与循环求解：根据实际切割速度和切割长度，算出切割总时间t，然后将切割总时间划分为多个时间步δt，实现切割过程的离散化；之后在每一个时间步δt下，首先删除施加在钢铁板材模型上的火焰预热对流密度载荷和钢铁燃烧生成热热流率载荷，查找出钢板模型中温度在钢铁材料熔点以上的网格单元，然后将其杀死，实现该部位的切割；紧接着查找出钢板模型中温度在1000℃以上的没被杀死的网格单元，然后对这些单元施加燃烧反应热流率，实现预热高温钢铁部位与氧气的燃烧反应放热；与此同时在表面效应单元面surf152上施加火焰预热热流密度，实现火焰预热的加热作用；之后进行该时间步的求解；反复循环求解，实现每一时间步δt内的热载荷施加与求解，直至切割过程结束，以实现火焰切割过程的动态化；步骤8，结果输出：进入后处理模式，根据实际需要进行结果的查看和输出，可查看和输出的结果包括温度、应力变化。进一步地，对于步骤1中所述的两种单元类型均采用et命令进行定义，对于所述的两种单元关键字均采用keyopt命令定义；进一步地，对于步骤2中所述的导热系数、密度、比热容、弹性模量、热膨胀系数、泊松比，通过先采用mptemp命令设置温度点，然后采用mpdata命令设置相对应温度点下的这些材料参数数值的方式进行设置；对于屈服强度，采用tbtemp命令和tbdata命令依次相间设置温度和对应温度点下的材料屈服强度数值的方式进行设置；定义热膨胀系数时，需要采用uimp命令指定指定参考温度；进一步地，对步骤3中所述的几何模型采用block命令进行建立，热-力耦合体网格单元采用vmesh命令划分；表面效应单元采用esurf命令进行创建；进一步地，对于步骤4中所述的求解分析类型、方法和求解器分别采用antype、trnopt、eqslv命令进行设置，采用nlgeom命令打开大变形结构分析；进一步地，步骤5中所述的表面综合热对流边界条件包括综合热对流系数(w/m2.℃-1)和环境温度(℃)；初始温度、热对流边界条件和结构约束分别采用tunif、sfa、da命令进行施加；进一步地，对于步骤6中所述的预热火焰热源模型采用*set命令将高斯热源处理为表载荷；进一步地，步骤7中采用sfdele命令和bfdele命令分别对火焰预热对流密度载荷和钢铁燃烧生成热热流率载荷进行删除，采用*get命令查找网格单元，采用ekill命令杀死网格单元，采用bfe命令施加燃烧反应热流率，采用sfe命令施加火焰预热热流密度，采用solve命令进行时间步的求解，采用*do命令实现反复循环求解。进一步地，步骤8中采用/post命令进入后处理模式。本发明的有益效果：本发明提供的一种基于apdl语言的火焰切割热-力耦合仿真分析方法，通过ansys软件提供的apdl语言模块，根据火焰切割实际过程编写apdl代码进行建模分析，具有很强的可移植性和普遍灵活性，在之后其他类型钢板的火焰切割仿真分析中，不需要再次重新编写apdl命令流，只需要根据实际情况适当的改写相关参数即可直接使用，具有省时省力的优点。此外，本发明提供的仿真分析方法同时考虑了钢板表面的火焰预热热源和高温红热态钢铁(1000℃以上)的燃烧反应生成热的影响，并且将钢板火焰切割过程中的温度和应力变化进行了耦合求解分析，非常动态逼真的反映了钢板的火焰切割过程以及在该切割过程中温度和应力的变化情况，可以为工程人员进行相关研究提供有效指导。附图说明图1为本发明的流程图；图2是本发明具体实施方式的钢板几何模型；图3是本发明具体实施方式体网格单元划分好后的模型；图4为本发明具体实施方式得到的表面效应单元；图5是本发明具体实施方式的火焰预热高斯热源模型；图6是本发明具体实施方式输出的在切割时间为5s时的温度分布云图；图7为本发明具体实施方式输出的在切割末端处的应力分布云图；具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。如图1所示，一种基于apdl语言的火焰切割热-力耦合仿真分析方法，包括以下步骤：步骤1，定义单元类型和关键字采用et命令定义热-力耦合体单元solid226和用于施加表面预热火焰热流的表面效应单元surf152；采用keyopt命令将热-力耦合体单元solid226第1条属性的关键字定义为11以及将表面效应单元surf152第8条属性的关键字定义为1；具体通过以下apdl代码实现：/prep7et,1,solid226et,2,surf152keyopt,1,1,11keyopt,2,8,1步骤2，设置材料参数需要设置的材料参数包括导热系数、密度、比热容、弹性模量、热膨胀系数、泊松比和屈服强度；对于导热系数、密度、比热容、弹性模量、热膨胀系数、泊松比，通过先采用mptemp命令设置温度点，然后采用mpdata命令设置相对应温度点下的这些材料参数数值的方式进行设置，其中热膨胀系数的参考温度值采用uimp命令进行设置；对于屈服强度，采用tbtemp命令和tbdata命令依次相间设置温度和对应温度点下的材料屈服强度数值的方式进行设置；本实例以nm450耐磨钢板的材料参数为例，热膨胀系数的参考温度值设置为20℃，具体通过以下apdl代码进行施加：！采用mptemp命令依次设置了8个温度点mptemp,1,20mptemp,2,100mptemp,3,200mptemp,4,400mptemp,5,800mptemp,6,1100mptemp,7,1400mptemp,8,1600！采用mpdata命令设置了上述8个温度点下的材料导热系数mpdata,kxx,1,,30.8mpdata,kxx,1,,33.2mpdata,kxx,1,,34.8mpdata,kxx,1,,21.6mpdata,kxx,1,,26.3mpdata,kxx,1,,29.9mpdata,kxx,1,,33.5mpdata,kxx,1,,34.8！采用mpdata命令设置了上述8个温度点下的材料密度mpdata,dens,1,,7802mpdata,dens,1,,7780mpdata,dens,1,,7753mpdata,dens,1,,7633mpdata,dens,1,,7490mpdata,dens,1,,7464mpdata,dens,1,,7304mpdata,dens,1,,6903！采用mpdata命令设置了上述8个温度点下的材料比热容mpdata,c,1,,450mpdata,c,1,,486mpdata,c,1,,574mpdata,c,1,,537mpdata,c,1,,596mpdata,c,1,,660mpdata,c,1,,690mpdata,c,1,,826！采用mpdata命令设置了上述8个温度点下的材料弹性模量mpdata,ex,1,,2.09e11mpdata,ex,1,,2.06e11mpdata,ex,1,,1.99e11mpdata,ex,1,,1.64e11mpdata,ex,1,,1.26e11mpdata,ex,1,,0.96e11mpdata,ex,1,,0.65e11mpdata,ex,1,,0！采用mpdata命令设置了上述8个温度点下的材料泊松比mpdata,prxy,1,,0.291mpdata,prxy,1,,0.293mpdata,prxy,1,,0.297mpdata,prxy,1,,0.315mpdata,prxy,1,,0.339mpdata,prxy,1,,0.356mpdata,prxy,1,,0.374mpdata,prxy,1,,0.5！采用mpdata命令设置了上述8个温度点下的材料热膨胀系数uimp,1,reft,,,20！热膨胀系数的参考温度为20℃mpdata,alpx,1,,2.4e-5mpdata,alpx,1,,2.5e-5mpdata,alpx,1,,2.6e-5mpdata,alpx,1,,3.3e-5mpdata,alpx,1,,3.9e-5mpdata,alpx,1,,5.0e-5mpdata,alpx,1,,9.4e-5mpdata,alpx,1,,3.9e-5！采用tbtemp命令和tbdata命令依次相间设置温度和对应温度点下的材料屈服强度tb,biso,1,6,1,tbtemp,20！设置温度为20℃tbdata,,1148e6,,,,,！温度为20℃下的材料屈服强度tbtemp,100tbdata,,1003e6,,,,,tbtemp,200tbdata,,890e6,,,,,tbtemp,400tbdata,,84e6,,,,,tbtemp,800tbdata,,67e6,,,,,tbtemp,1100tbdata,,0,,,,,步骤3，建立几何模型和网格单元划分先采用block命令建立钢板几何模型；采用esize命令确定网格单元的尺寸，然后采用vmesh命令对该建立好的几何模型进行热-力耦合体网格单元的划分；之后再采用esurf命令在该热-力耦合体网格划分好的模型的火焰预热面上进行表面效应单元的创建。本实例中钢板的长度为0.18m，宽度为0.15m，厚度为0.01m，基于钢板的长、宽、高尺寸是体单元尺寸的整数倍且单元尺寸需小于0.004m的原则，热-力耦合体网格单元的尺寸设置为0.0025m，火焰预热面为长度和宽度两个方向组成的钢板表面；建立好的几何模型如图2所示，划分好的热-力耦合体单元模型如图3所示，表面效应单元如图4所示；具体通过以下apdl代码实现：block,0,0.18,0,0.01,0,0.15！建立模型esize,0.0025！确定网格单元尺寸vmesh,allnsel,allnsel,r,loc,y,0.01！选择火焰预热面nplottype,2mat,1real,esys,0secnum,tshap,lineesurf,0！创建表面效应单元步骤4，设置求解分析类型、方法和求解器求解分析类型设置为瞬态热-结构分析，激活大变形结构分析，求解方法为完全牛顿法，求解器设置为稀疏直接求解器；具体通过以下apdl实现：/soluantype,4！设置瞬态热-结构分析类型nlgeom,1！激活大变形结构分析trnopt,full！设置完全牛顿法eqslv,spar！设置稀疏直接求解器步骤5，施加初始温度、热对流边界条件、结构约束采用tunif命令对钢板的初始温度进行施加，初始温度的单位为℃；采用sfa命令对钢板表面进行热对流边界条件的施加，热对流边界条件包括热对流系数和环境温度，热对流系数的单位为w/m2.℃-1；采用da命令对钢板进行结构约束的施加；本实例中，钢板的初始温度设置为20℃，热对流系数设置为40w/m2.℃-1，环境温度设置为20℃，对钢板的六个面均施加热对流边界条件；对钢板长度方向的两个横截面进行x、y、z三个方向的位移进行固定约束，该两个横截面的面号为1和2；具体通过以下apdl代码实现：tunif,20,！钢板初始温度sfa,1,,conv,40,20！热对流边界条件的施加sfa,2,,conv,40,20sfa,3,,conv,40,20sfa,4,,conv,40,20sfa,5,,conv,40,20sfa,6,,conv,40,20da,1,ux,！对横截面1进行x方向的位移限值约束da,1,uy,da,1,uz,da,2,ux,da,2,uy,da,2,uz,步骤6，定义预热火焰热源模型预热火焰热流密度采用高斯移动热源模型，如图5所示，其表达式如下式所示：q(r)＝q0*exp(-3*r2/r0)(2)其中，q(r)为距离热源中心r处的热流密度(w/m2)，q0为热流密度最大值(w/m2)，r为距热源中心的距离(m)，r0为热源半径。本实例中q0为4e7，r0为0.005m，r是坐标x、z和切割时间time的函数，预热火焰坐标中心位置x方向为0.075，z方向(即切割方向)为切割速度0.01和切割时间的乘积；所以本实例中的预热火焰高斯热源模型如下式所示：q(r)＝4e7*exp(-3*((x-0.075)2+(z-0.01*time)2)/0.0052)(3)将本实例中的该高斯热源模型命名为huoyanre，编辑成软件可执行的apdl代码，具体如下：*del,_fncname*del,_fncmtid*del,_fnccsys*set,_fncname,'huoyanre'*set,_fnccsys,0*dim,％_fncname％,table,6,24,1,,,,％_fnccsys％*set,％_fncname％(0,0,1),0.0,-999*set,％_fncname％(2,0,1),0.0*set,％_fncname％(3,0,1),0.0*set,％_fncname％(4,0,1),0.0*set,％_fncname％(5,0,1),0.0*set,％_fncname％(6,0,1),0.0*set,％_fncname％(0,1,1),1.0,-1,0,0,0,0,0*set,％_fncname％(0,2,1),0.0,-2,0,1,0,0,-1*set,％_fncname％(0,3,1),0,-3,0,1,-1,2,-2*set,％_fncname％(0,4,1),0.0,-1,0,3,0,0,-3*set,％_fncname％(0,5,1),0.0,-2,0,1,-3,3,-1*set,％_fncname％(0,6,1),0.0,-1,0,0.075,0,0,4*set,％_fncname％(0,7,1),0.0,-3,0,1,4,2,-1*set,％_fncname％(0,8,1),0.0,-1,0,2,0,0,-3*set,％_fncname％(0,9,1),0.0,-4,0,1,-3,17,-1*set,％_fncname％(0,10,1),0.0,-1,0,0.01,0,0,1*set,％_fncname％(0,11,1),0.0,-3,0,1,-1,3,1*set,％_fncname％(0,12,1),0.0,-1,0,1,2,2,-3*set,％_fncname％(0,13,1),0.0,-3,0,2,0,0,-1*set,％_fncname％(0,14,1),0.0,-5,0,1,-1,17,-3*set,％_fncname％(0,15,1),0.0,-1,0,1,-4,1,-5*set,％_fncname％(0,16,1),0.0,-3,0,1,-2,3,-1*set,％_fncname％(0,17,1),0.0,-1,0,0.005,0,0,0*set,％_fncname％(0,18,1),0.0,-2,0,2,0,0,-1*set,％_fncname％(0,19,1),0.0,-4,0,1,-1,17,-2*set,％_fncname％(0,20,1),0.0,-1,0,1,-3,4,-4*set,％_fncname％(0,21,1),0.0,-1,7,1,-1,0,0*set,％_fncname％(0,22,1),0.0,-2,0,4e7,0,0,-1*set,％_fncname％(0,23,1),0.0,-3,0,1,-2,3,-1*set,％_fncname％(0,24,1),0.0,99,0,1,-3,0,0步骤7，热载荷的施加与循环求解根据实际切割速度和切割长度，算出切割总时间t，然后将切割总时间划分为多个时间步δt，实现切割过程的离散化。采用*do命令实现每一时间步δt内的热载荷施加与求解，直至切割过程结束，以实现火焰切割过程的动态化。在每一个时间步δt下，首先用sfdele命令和bfdele命令分别删除施加在钢板模型上的火焰预热对流密度载荷和钢铁燃烧生成热热流率载荷，采用*get命令查找出钢板模型中温度在钢铁材料熔点以上的网格单元，然后采用ekill命令将其杀死，实现该部位的切割；紧接着采用*get命令查找出钢板模型中温度在1000℃以上的没被杀死的网格单元，然后采用bfe命令对这些单元施加燃烧反应热流率，实现预热高温钢铁部位与氧气的燃烧反应放热；与此同时采用sfe命令在表面效应单元面surf152上施加火焰预热热流密度，实现火焰预热的作用；之后采用solve命令进行该时间步的求解。对于本nm450钢板火焰切割实例，切割长度为0.18m，切割速度为0.01m/s，所以切割总用时为18s，将总时间划分为90个时间步，所以每一个时间步为0.02s，燃烧反应热流率hgen为14.46e3w/m3；火焰预热热流密度为步骤6中定义的高斯移动热源％huoyanre％；具体通过以下apdl代码实现：*do,i,1,90,1！90个循环求解时间步time,0.2*i！每一个时间步结束时的时间autots,1deltim,0.02,0.001,0.05,1allsel,allbfedele,all,hgen！删除燃烧反应热载荷allsel,allesel,allesel,r,type,,2sfedele,all,1,hflux！删除火焰预热热流密度allsel,allnsel,all*get,nmax,node,,countnsel,none*do,j,1,nmax,1*if,temp(j),gt,1490,then！查找温度大于熔点1490℃的节点nsel,a,,,j*endif*enddoesln,s！通过温度大于熔点1490℃的节点选择网格单元ekill,all！杀死温度大于熔点1490℃的网格单元，实现切割allsel,allnsel,none*do,t,1,nmax,1*if,temp(t),gt,1000,then！查找温度大于1000℃的节点nsel,a,,,t*endif*enddoesln,s,1！通过温度大于1000℃的节点选择网格单元esel,r,type,,1esel,r,live！再温度大于1000℃的体网格单元中选择出活的单元bfe,all,hgen,,2.0e10！对该选择的体单元施加燃烧反应热流率allsel,allesel,allesel,s,type,,2！选择表面效应单元surf152eplotsfe,all,1,hflux,,％huoyanre％！施加火焰预热热流密度allsel,allsolve！求解*enddo！90个循环求解时间步结束，钢板切割整个过程完成步骤8，结果输出采用/post命令进入后处理模式，根据需要输出钢板切割过程中的温度和应力变化云图，如图6为本发明在nm450钢板切割实例过程中得到的在切割时间为5s时的温度分布云图，如图7为本发明在nm450钢板切割实例过程中得到的在切割末端处的应力分布云图，云图中灰色的部位为火焰切割完成的部位。具体通过以下apdl代码实现：/post！进入后处理模式plnsol,temp！输出查看温度云图plnsol,s,x！输出查看应力云图图6和图7中的切缝宽度约为4mm，这与实际中本实例厚度规格的钢铁板材切缝宽度基本一致。最后需要说明的是，上述实例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，但并不仅局限于此，凡是对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，均应该涵盖在本发明的保护范围内。当前第1页12当前第1页12