电弧增材制造环形构件的数值模拟方法

本发明属于结构工程，涉及一种电弧增材制造环形构件的数值模拟方法。

背景技术：

1、近年来，随着贵重、难加工金属材料以及定制型复杂结构件使用量的增加，电弧增材制造技术凭借其低成本和高灵活性等优点，逐渐由航空航天领域扩展至一般民用工业制造领域。然而，由于增材制造过程中电弧热源局部多次加热的特点，由此而产生的多次热胀冷缩及相变过程导致增材制造而成的结构件内部具有很高的残余应力和显著的宏观变形。随着结构件成形尺寸的增加，残余应力的分布会更加复杂且变形量通常会随之增加。残余应力和宏观变形不但会降低结构件的使用性能，还会影响其外观形状，在严重情况下将直接导致结构件失效。因此，计算增材制造结构件的残余应力及变形是十分有必要的，本发明探讨了一种电弧增材制造技术制备环形构件的数值模拟方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，解决了现有技术中电弧增材制造环形结构件时残余应力及变形难以预估的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，具体按照以下步骤实施：

3、步骤1、建立环形构件电弧增材过程的热力耦合计算模型；

4、步骤2、设置步骤1建立的热力耦合计算模型的约束条件及边界条件；

5、步骤3、建立电弧增材过程的热源模型及求解任务；

6、步骤4、提交求解任务及后处理，获得环形构件电弧熔覆过程的温度场及熔覆后残余应力场分布。

7、本发明的特点还在于：

8、步骤1具体按照以下步骤实施：

9、步骤1.1、利用三维造型软件对基材、环形结构件建立三维实体模型，并将其合并为整体的几何模型；

10、步骤1.2、利用workbench工程数据库定义基材及增材材料随温度变化的物理性能参数，并将材料属性分别赋予相应结构部位；

11、步骤1.3、对步骤1.1得到的几何模型按照从熔覆层向基体的顺序进行网格划分，远离熔覆区域的网格较稀疏，最终得到热力耦合计算模型。

12、步骤1.3具体为：

13、首先利用布尔操作对基体进行切割，分割为内基体、接触基体以及外基体；其次采用过渡单元对熔覆层及接触基体有限元模型进行面网格划分，并采用扫掠的方法对熔覆层及接触基体进行网格划分；最后采用接触网格及多区域划分方法对内基体及外基体进行网格划分，得到热力耦合计算模型。

14、步骤2具体按照以下步骤实施：

15、步骤2.1、在初始步中设置边界条件，包括焊接构件的初始温度以及工件在熔覆过程的散热方式，散热方式包括对流和热辐射；

16、步骤2.2、对熔覆结构施加约束条件，具体为在基体的顶点处施加位移约束。

17、步骤3具体按照以下步骤实施：

18、步骤3.1、利用对workbench的二次开发，利用用户自定义的热源子程序，在熔覆构件上施加随时间改变的体热源；

19、步骤3.2、设置热源的施加路径，并且针对于环形构件的特点，对热源模型进行一定修改，采用柱坐标系实现热源的施加；

20、步骤3.3、建立分析步。

21、步骤3.1中的热源选择双椭球热源模型，双椭球热源模型中前后椭球内部热流分布不同，前端热流密度采用式(1)表达：

22、

23、后端热流密度采用式(2)表达：

24、

25、采用三维直角坐标系，式(1)、(2)中，qf,qr分别为前、后两部分球内任意点(x，y，z)处的热流密度；q为热输入总热量，ff、fr为热源模型前后半椭球的能量分配系数，ff+fr＝2，af、ar、b、c为椭球的半轴长，即热源形状参数。

26、步骤3.2具体为：

27、利用apdl语言，将直角坐标系转换为柱坐标系，直角坐标系中熔覆中心坐标为(x，y，z)，柱坐标系中熔覆中心坐标为其中，z＝z。

28、步骤3.3建立分析步的具体过程为：

29、整个焊接模拟过程分为八个分析步，第一个分析步进行第一层熔覆层的熔覆及冷却；第二个分析步进行第二层熔覆层的熔覆及冷却；第三个分析步进行第三层熔覆层的熔覆及冷却；第四个分析步进行第四层熔覆层的熔覆及冷却；第五个分析步进行第五层熔覆层的熔覆及冷却；第六个分析步进行第六层熔覆层的熔覆及冷却；第七个分析步进行第七层熔覆层的熔覆及冷却；第八个分析步进行第八层熔覆层的熔覆及冷却。

30、步骤4具体按照以下步骤实施：

31、步骤4.1、提交求解任务并进行温度场的求解，通过生死单元来模拟热源移动即熔覆材料熔覆过程，求解之前需杀死所有熔覆层所包含单元，在求解过程中逐步激活；通用有限元软件基于传热控制的微分方程进行传热计算分析：

32、

33、式(5)中：ρ表示焊接材料密度(kg·m-3)；c表示焊接材料比热容(j·kg·℃-1)；t表示温度场温度分布函数；t表示时间；

34、步骤4.2、求解应力场；

35、步骤4.3、进入后处理器，读取计算结果，获得环形构件电弧熔覆过程的温度场及熔覆后残余应力场分布。

36、步骤4.2具体为：

37、将分析温度场时所得的节点温度加载到模型中，计算构件在焊接过程中的应力及变形情况，应力场求解之前先将热分析单元转换为对应的结构单元并对焊接件施加位移约束边界条件，使整个结构在计算中不发生整体偏移或刚性转动。

38、本发明的有益效果是：

39、本发明数值模拟方法能获得环形构件电弧熔覆过程中温度场的变化规律及熔覆后残余应力分布情况，掌握熔覆过程中应力随时间的演变情况，探究残余应力的分布规律以及工艺参数等因素对残余应力的影响，为预测熔覆后残余应力的分布规律以及残余应力的调控方法提供参考，可以节省成本和时间。

技术特征：

1.电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

2.根据权利要求1所述的电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，其特征在于，步骤1具体按照以下步骤实施：

3.根据权利要求2所述的电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，其特征在于，步骤1.3具体为：

4.根据权利要求1所述的电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，其特征在于，步骤2具体按照以下步骤实施：

5.根据权利要求1所述的电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，其特征在于，步骤3具体按照以下步骤实施：

6.根据权利要求5所述的电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，其特征在于，步骤3.1中的热源选择双椭球热源模型，双椭球热源模型中前后椭球内部热流分布不同，前端热流密度采用式(1)表达：

7.根据权利要求5所述的电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，其特征在于，步骤3.2具体为：

8.根据权利要求5所述的电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，其特征在于，步骤3.3建立分析步的具体过程为：

9.根据权利要求1所述的电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，其特征在于，步骤4具体按照以下步骤实施：

10.根据权利要求9所述的电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，其特征在于，步骤4.2具体为：

技术总结
本发明公开了电弧增材制造环形构件的数值模拟方法，建立环形构件电弧增材过程的热力耦合计算模型；设置热力耦合计算模型的约束条件及边界条件；建立电弧增材过程的热源模型及求解任务；提交求解任务及后处理，获得环形构件电弧熔覆过程的温度场及熔覆后残余应力场分布。本发明方法解决了现有技术中电弧增材制造环形结构件时残余应力及变形难以预估的问题。

技术研发人员：张敏,唐婷婷,李毅,马宏伟,王森淼,易朗
受保护的技术使用者：西安理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21