一种电弧增材制造有限元建模方法技术

本发明专利技术公开了一种电弧增材制造有限元建模方法，包括：计算电弧形态，确定增材区域生死单元宽度；计算熔滴形态，确定增材区域生死单元高度；根据增材区域生死单元宽度和增材区域生死单元高度建立电弧增材制造有限元几何模型；通过验证电弧增材制造有限元几何模型的温度分布，进而修正电弧形态和熔滴形态，从而修正电弧增材制造有限元几何模型；本发明专利技术采用电弧增材制造模拟过程结合电弧形态模拟技术、熔滴形态模拟技术和有限元模拟技术，并加以实验验证，能够在电弧增材制造有限元建模之前确定增材区域生死单元几何尺寸，实现电弧增材制造有限元模拟准确计算。

【技术实现步骤摘要】
一种电弧增材制造有限元建模方法
本专利技术涉及电弧增材制造领域，具体涉及一种电弧增材制造有限元建模方法。
技术介绍
近年来，增材制造技术作为新兴技术发展迅速，不断地被应用于工业生产中。成形材料由最初的光固化树脂不断地向金属材料发展，成形结构也向着大型化整体化发展。采用电弧作为热源的电弧增材制造，具有热输入高，成形速度快，成本低，设备简单等特点，非常适用于大型化整体化结构件，包括大型模具、大型航空发动机、大型飞机壁板等。但是，电弧增材制造过程还存在许多成形缺陷，同时成形过程的物理机理还尚未完成探明。依靠传统的工业试验方法研究成形过程物理机理，不仅存在一定盲目性，而且效率低，耗费生产成本，更棘手的是有些物理参数试验难以获得或者不能获得。因此，采用有限元数值模拟方法研究电弧增材制造自然而然成为大多数学者的选择。电弧增材制造有限元数值模拟方法的一般步骤包括几何建模、网格划分、材料参数加载，增材区域及增材路径定义、边界条件及热源模型定义、计算求解。因此，在电弧增材制造有限元建模之前需要明确增材区域尺寸、材料参数以及电弧增材工艺参数，但是增材区域尺寸在电弧增材制造实验之前是个未知数，传统的建模方法必须在实验之后才能给出增材区域的尺寸参数，以这种方式建模则违背了数值模拟的原则。虽然，现有的有限元软件在建模之前无能为力，但是其它的流体动力学模拟软件的模拟结果可以为有限元建模提供必要参数。综上所述，利用流体动力学模拟软件率先进行电弧形态和熔滴形态模拟，得出增材区域宽度和高度，实现电弧增材制造有限元建模，对电弧增材制造数值模拟研究以及物理机理研究具有重要的意义。特别是在目前国内增材制造的工业背景下，研究电弧增材制造物理机理以及实现电弧增材制造建模具有一定的迫切性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种电弧增材制造有限元建模方法，本电弧增材制造有限元建模方法以期准确预测增材区域生死单元的宽度和深度，使电弧增材制造能够顺利建模。同时，还采用实验方法，确定测温点位置，验证温度场模型，然后根据相对误差修正模型，直至获得准确的有限元模型，提高计算机模拟的计算精度。为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：一种电弧增材制造有限元建模方法，包括以下步骤：步骤1:计算电弧形态，确定增材区域生死单元宽度；步骤2：计算熔滴形态，确定增材区域生死单元高度；步骤3：根据增材区域生死单元宽度和增材区域生死单元高度建立电弧增材制造有限元几何模型；步骤4：通过验证电弧增材制造有限元几何模型的温度分布，进而修正电弧形态和熔滴形态，从而修正电弧增材制造有限元几何模型。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述步骤1包括以下步骤：(1)定义电弧增材制造初始工艺参数，材料热物性参数，电势边界条件；(2)根据电流连续方程及欧姆定律求解轴向和径向的电流密度：其中σ是电弧的材料电导率，z是轴向坐标，r是径向坐标，是电势，Jz是轴向的电流密度，Jr是径向的电流密度；根据安培环流定律求解电弧自感应磁场强度：其中μ0是真空磁导率，B0是电弧自感应磁场强度；根据轴向的电流密度Jz、径向的电流密度Jr以及公式(5)的能量方程，求解能量方程中的热量源项Q，热量源项Q为电阻热和电子流传递热之和：其中KB是玻尔兹曼常数，e是电子电荷，T为电弧形态的温度场，Q是热量源项；根据电弧自感应磁场强度B0、轴向的电流密度Jz、径向的电流密度Jr以及动量守恒方程，求解动量守恒方程中的动量源项：FZ＝Jr×B0+ρg(6)，Fr＝-Jz×B0(7)，其中ρ是电弧的材料密度，g是重力加速度，FZ是指电弧的轴向电磁力，Fr是指电弧的径向电磁力，FZ和Fr均属于电弧的动量源项；根据动量方程和连续性方程，求解电弧的轴向速度场和电弧的径向速度场：其中u是电弧的轴向速度场，v是电弧的径向速度场，t是时间，P是压强，μ是材料黏性系数，其中公式(8)为轴向动量方程，公式(9)为径向动量方程，公式(10)是质量连续性方程，公式(10)是对压强P的修正；根据热量源项Q、电弧的轴向速度场u和电弧的径向速度场v并结合能量方程确定电弧形态的温度的分布T：其中CP是电弧的材料等压比热容，k是电弧的材料热导率，T为电弧形态的温度场；(3)根据电弧形态的温度场T获得加热斑点半径rH，则增材区域生死单元宽度为2rH。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述步骤2包括以下步骤：(1)确定熔滴的表面张力、重力、电磁力和等离子体流力：Fγ＝2πRγ(12)，其中R是焊丝半径，γ是熔滴表面张力系数，Fγ为熔滴的表面张力；其中g是重力加速度，ρ是熔滴的材料密度，Fg为熔滴的重力；其中表示电流密度，表示磁感应强度的矢量，Fm为熔滴的电磁力；其中CD是等离子流系数，AP是等离子流力作用面积，ρf是等离子流密度，vf是等离子流的速度，FP为熔滴的等离子体流力；(2)将熔滴的表面张力、重力、电磁力和等离子体流力在径向的分力表示为Fr1，熔滴的表面张力、重力、电磁力和等离子体流力在轴向的分力表示为FZ1，Fr1和FZ1为熔滴的动量源项；(3)将Fr1代替步骤1中的Fr，FZ1代替步骤1中的FZ，带入步骤1中的公式(8)、公式(9)和公式(10)求解熔滴的轴向速度场u1和熔滴的径向速度场v1；(4)使用VOF模型，对熔滴运动过程自由界面行为进行追踪：其中F是单元格流体体积分数；(5)根据求解的熔滴形态即单元格流体体积分数F，获得熔滴半径rD，则增材区域生死单元高度作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述步骤3包括以下步骤：(1)根据实际基板几何尺寸，构建基板几何模型；(2)根据增材区域生死单元宽度增材区域生死单元高度以及增材区域长度L构建增材区域生死单元几何模型；(3)对基板几何模型和增材区域生死单元几何模型进行网格划分。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述步骤4包括以下步骤：(1)加载电弧增材制造的初始条件；(2)加载双椭球热源模型，定义热边界条件和换热边界条件，热边界条件包括环境初始温度以及装夹条件，换热边界条件包括环境初始温度、换热单元以及装夹条件：公式(17)中qf(x，y，z)为前半椭球的热流密度值，公式(17)中的a和b分别表示前半椭球的长度和深度，cf表示前半椭球的宽度，ff是前半椭球的热量分配系数，公式(18)中qr(x，y，z)为后半椭球的热流密度值，公式(18)中的a和b分别表示后半椭球的长度和深度，cr表示后半椭球的宽度，fr是后半椭球的热量分配系数，公式(17)和公式(18)中x,y,z是三维方向的坐标，Q2是增材制造热输入，e是自然数，fr和ff满足条件：fr+ff＝2(19)；(3)根据导热偏微分方程，得到电弧增材制造过程的温度场Tc：其中CP是增材材料的材料等压比热容，ρ是增材材料的材料密度，k是增材材料的材料热导率，为内热源强度；(4)在基板上选取5个红外测温点，沿增材区域的起弧处的垂直方向10mm处取第一红外测温点，沿增材区域的收弧处的垂直方向10mm处取第二红外测温点，再在第一红外测温点和第二红外测温点之间选取3个红外测温点，每个相邻的红外测温点之间的距离均为L/4，L为增材区域长度；(5)将测量的温度分布表示为Tt并记录测温时间，将测温时间作为冷却时间，进而确定模拟的冷却时间的依据，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电弧增材制造有限元建模方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1:计算电弧形态，确定增材区域生死单元宽度；步骤2：计算熔滴形态，确定增材区域生死单元高度；步骤3：根据增材区域生死单元宽度和增材区域生死单元高度建立电弧增材制造有限元几何模型；步骤4：通过验证电弧增材制造有限元几何模型的温度分布，进而修正电弧形态和熔滴形态，从而修正电弧增材制造有限元几何模型。

【技术特征摘要】
1.一种电弧增材制造有限元建模方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1:计算电弧形态，确定增材区域生死单元宽度；步骤2：计算熔滴形态，确定增材区域生死单元高度；步骤3：根据增材区域生死单元宽度和增材区域生死单元高度建立电弧增材制造有限元几何模型；步骤4：通过验证电弧增材制造有限元几何模型的温度分布，进而修正电弧形态和熔滴形态，从而修正电弧增材制造有限元几何模型。2.根据权利要求1所述的电弧增材制造有限元建模方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：(1)定义电弧增材制造初始工艺参数，材料热物性参数，电势边界条件；(2)根据电流连续方程及欧姆定律求解轴向和径向的电流密度：其中σ是电弧的材料电导率，z是轴向坐标，r是径向坐标，是电势，Jz是轴向的电流密度，Jr是径向的电流密度；根据安培环流定律求解电弧自感应磁场强度：其中μ0是真空磁导率，B0是电弧自感应磁场强度；根据轴向的电流密度Jz、径向的电流密度Jr以及公式(5)的能量方程，求解能量方程中的热量源项Q，热量源项Q为电阻热和电子流传递热之和：其中KB是玻尔兹曼常数，e是电子电荷，T为电弧形态的温度场，Q是热量源项；根据电弧自感应磁场强度B0、轴向的电流密度Jz、径向的电流密度Jr以及动量守恒方程，求解动量守恒方程中的动量源项：FZ＝Jr×B0+ρg(6)，Fr＝-Jz×B0(7)，其中ρ是电弧的材料密度，g是重力加速度，FZ是指电弧的轴向电磁力，Fr是指电弧的径向电磁力，FZ和Fr均属于电弧的动量源项；根据动量方程和连续性方程，求解电弧的轴向速度场和电弧的径向速度场：其中u是电弧的轴向速度场，v是电弧的径向速度场，t是时间，P是压强，μ是材料黏性系数，其中公式(8)为轴向动量方程，公式(9)为径向动量方程，公式(10)是质量连续性方程，公式(10)是对压强P的修正；根据热量源项Q、电弧的轴向速度场u和电弧的径向速度场v并结合能量方程确定电弧形态的温度的分布T：其中CP是电弧的材料等压比热容，k是电弧的材料热导率，T为电弧形态的温度场；(3)根据电弧形态的温度场T获得加热斑点半径rH，则增材区域生死单元宽度为3.根据权利要求2所述的电弧增材制造有限元建模方法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：(1)确定熔滴的表面张力、重力、电磁力和等离子体流力：Fγ＝2πRγ(12)，其中R是焊丝半径，γ是熔滴表面张力系数，Fγ为熔滴的表面张力；

【专利技术属性】
技术研发人员：魏艳红，欧文敏，刘仁培，赵文勇，钱龙根，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32