一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法技术

本发明专利技术公开了一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，本发明专利技术提出了“模型分割‑迭代计算”新流程，将大型构件的全尺寸模型按照结构特征和成形工艺分割为若干个子模型，子模型n‑1的热分析计算结果作为子模型n热分析的初始条件，依次迭代计算，降低了计算前期大量沉积区“死”单元的负面作用，同时热分析与结构分析在现实时间中几乎同时进行，全尺寸模型的结构分析可在子模型1热分析结束时即开始，使得热力间接耦合计算具有了“并行计算”的特征，计算效率显著提升。本发明专利技术可以广泛用于大尺寸电弧增材构件的热‑力场分布预测，对有限元数值计算在工程上的推广应用具有很好的促进作用。

【技术实现步骤摘要】
一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法
本专利技术属于增材制造
，具体涉及一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法。
技术介绍
增材制造(AdditiveManufacturing，AM)技术是基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件的一种新型制造技术。与传统制造技术相比，增材制造技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点，在航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域得到了广泛应用。其中，电弧熔丝增材制造(WireandArcAdditiveManufacturing，WAAM)技术采用电弧作为热源，通过不断熔化填充丝材并根据目标构件的数字模型沿成形轨迹逐层堆积出金属零件，具有成形尺寸大、设备成本低、材料利用率和沉积效率高等优点，是一种可实现高性能金属零件经济快速成形的方法。WAAM工艺的优势在于可高效快速实现大型构件的快速制造，但大尺寸构件电弧熔丝沉积成形过程中的应力变形规律复杂，而有限元数值计算是一种非常有效的分析预测变形和应力的方法。在沉积开始前即预置所有单元，采用生死单元技术以实现金属的逐步熔敷，可为大型复杂构件的增材应力变形计算提供精度较高的预测结果。WAAM的工艺可类比于多层多道焊接，多采用热力间接耦合计算方法，即将热分析得到的节点温度作为载荷施加在后续的应力分析中来实现耦合计算。但由于WAAM工艺成形构件尺寸较大(可达m量级)，而焊接热源瞬时加热区域相对极小(mm量级)，为保证计算结果的规律符合实际、计算精度满足预期要求，需要的网格数量和载荷步数极多，采用常规热-力间接耦合数值分析方案需要极大的时间开销，不利于该方法在工程中的应用推广。在WAAM成形件中包含基板和沉积区两部分，而大型构件中所用基板的三维尺寸远小于沉积区，导致沉积区网格数量在全尺寸模型中的占比极高。在热-力计算前期沉积区只有少量单元被激活以实现金属的熔敷，大部分沉积区单元处于“死”状态，但这些“死”单元仍然参与到计算过程中，增大了热分析中温度矩阵的求解难度和时间，显著提高了计算量。根据以往经验，针对计算效率低的解决方法包括沉积层合并、层内载荷步合并、简化热源模型、缩减网格数量等。但是为了保证计算的精度，合并和缩减有一定的局限性，过于简化会导致计算收敛性和精度大幅变差。同时，采用上述任何一种方法均不能有效改变沉积区网格数量多且占比极大的特征，导致计算效率难以有很大提升。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法。该数值计算方法提出了“模型分割-迭代计算”的新流程，减少了计算前期沉积区“死”单元数量，从而提高了热分析前期和结构分析的计算效率。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，包括以下步骤：(1)根据目标成型构件的结构设计图，建立沉积件和基板全尺寸实体模型，对全尺寸实体模型划分网格，得到划分网格后的全尺寸实体模型，划分的网格共有l层，l为≥1的自然数；(2)根据全尺寸实体模型中网格划分的层数l，共得到n个子模型；其中，子模型k为在子模型k-1上增加m层的沉积区，其中，1≤m＜l，1≤n≤l，1＜k≤n；(3)子模型1进行热分析计算，子模型1的热分析计算结束时，全尺寸模型开始进行结构分析结算；第k个子模型热分析计算的初始条件为第k-1个子模型热分析计算的结果；每一个子模型依次进行热分析计算的同时，全尺寸模型的结构分析计算同步进行，最终至子模型n的热分析计算和全尺寸实体模型的结构分析计算结束。本专利技术的进一步改进在于：优选的，步骤(2)中，1≤m≤5。优选的，步骤(2)中，n＝l，m＝1。优选的，步骤(2)中，n个子模型和全尺寸实体模型中同一空间位置处的节点编号相同。优选的，步骤(3)的具体过程为：子模型1的热分析计算结束时，将子模型1的温度场计算结果作为温度载荷施加于全尺寸模型的同一位置，进行子模型1对应的结构分析计算，与此同时子模型2开始热分析计算，子模型2热分析计算的初始条件为子模型1热分析计算的结果；子模型2的热分析结束时，以子模型1对应的结构分析结果为初始条件，将子模型2的热分析计算结果依据沉积过程随时间逐步施加于全尺寸模型上子模型2对应的同一位置，进行子模型2对应的结构分析计算；依次类推，至子模型k，至子模型n，全尺寸模型上子模型n对应的结构分析以子模型n-1对应的结构分析结果为初始条件，并将子模型n的热分析计算结果依据沉积过程随时间逐步施加于全尺寸模型上子模型n对应的同一位置，全尺寸模型上子模型n对应的结构分析计算结束后，全尺寸实体模型的结构分析计算结束。优选的，步骤(3)中，热分析计算的热源模型选用移动温度热源。优选的，步骤(3)中，子模型k的热分析过程为相比子模型k-1增加m层沉积区的加热过程。优选的，步骤(3)中采用热力间接耦合的方法来获得沉积过程的应力变形情况。优选的，步骤(3)中，子模型k中相比子模型k-1增加的m层沉积区在子模型k的热分析计算前为死区。优选的，目标成型构件的电弧增材方法包括熔化极惰性气体保护焊、非熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊和冷金属过渡焊。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术公开了一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，该方法相对于现有的常规热/力间接耦合计算流程，将全尺寸模型进行了分割，采用“模型分割-迭代计算”的方法，计算前期参与的子模型中只包含了基板和当前m层沉积区的单元，剩余大量待沉积区的单元被排除在模型外，大大减少了“死”单元的数量，降低了计算前期大量沉积区“死”单元的负面作用，减少了计算量，提高了计算效率；本专利技术不同于常规的先进行热计算后进行结构分析的方法，使得热力间接耦合计算具有了“并行计算”的特征，结构分析不必等到热分析全部结束，当第一个子模型的热分析结束后即可将其温度场加载于全尺寸结构模型中计算，在整个热-力间接耦合计算过程中热分析计算和结构分析计算几乎同时进行，最大程度保证较高的热力间接耦合计算效率，使得计算效率进一步提升，热分析计算所用时间可减少至原来的50％。进一步的，根据全尺寸实体模型的结构特征和目标成型构件的成形方法确定全尺寸实体模型划分的网格数量，使得建立的模型能够适用于不同形状的结构件。进一步的，任意一个子模型进行热分析计算时，该子模型后的沉积层均被排除在该子模型外，提高了热分析的计算效率。进一步的，本专利技术的目标成型构件能够通过常规的电弧焊方法制造，因此该模型适用于任何电弧增材制造构建的方式，适用范围广。【附图说明】图1为本专利技术中“模型分割-迭代计算”流程示意图；图2为本专利技术中分别采用“模型分割-迭代计算”流程与常规流程完成热力间接耦合计算对应的时间顺序甘特图；图3为本专利技术中实施例的模型分割结果；图4为实施例采用本专利技术中的流程与常规流程热分析计算用时对比图。【具体实施方式】下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步详细描述：参见图1，本专利技术公开了一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，该方法具体包括以下步骤：(1)根据大型电弧增材目标成形构件的结构设计图，建立沉积件和基板的全尺寸实体模型，通过网格划本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据目标成型构件的结构设计图，建立沉积件和基板全尺寸实体模型，对全尺寸实体模型划分网格，得到划分网格后的全尺寸实体模型，划分的网格共有l层，l为≥1的自然数；(2)根据全尺寸实体模型中网格划分的层数l，共得到n个子模型；其中，子模型k为在子模型k‑1上增加m层的沉积区，其中，1≤m＜l，1≤n≤l，1＜k≤n；(3)子模型1进行热分析计算，子模型1的热分析计算结束时，全尺寸模型开始进行结构分析结算；第k个子模型热分析计算的初始条件为第k‑1个子模型热分析计算的结果；每一个子模型依次进行热分析计算的同时，全尺寸模型的结构分析计算同步进行，最终至子模型n的热分析计算和全尺寸实体模型的结构分析计算结束。

【技术特征摘要】
1.一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据目标成型构件的结构设计图，建立沉积件和基板全尺寸实体模型，对全尺寸实体模型划分网格，得到划分网格后的全尺寸实体模型，划分的网格共有l层，l为≥1的自然数；(2)根据全尺寸实体模型中网格划分的层数l，共得到n个子模型；其中，子模型k为在子模型k-1上增加m层的沉积区，其中，1≤m＜l，1≤n≤l，1＜k≤n；(3)子模型1进行热分析计算，子模型1的热分析计算结束时，全尺寸模型开始进行结构分析结算；第k个子模型热分析计算的初始条件为第k-1个子模型热分析计算的结果；每一个子模型依次进行热分析计算的同时，全尺寸模型的结构分析计算同步进行，最终至子模型n的热分析计算和全尺寸实体模型的结构分析计算结束。2.根据权利要求1所述的一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，其特征在于，步骤(2)中，1≤m≤5。3.根据权利要求1所述的一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，其特征在于，步骤(2)中，n＝l，m＝1。4.根据权利要求1所述的一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，其特征在于，步骤(2)中，n个子模型和全尺寸实体模型中同一空间位置处的节点编号相同。5.根据权利要求1所述的一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，其特征在于，步骤(3)的具体过程为：子模型1的热分析计算结束时，将子模型1的温度场计算结果作为温度载荷施加于全尺寸模型的同一位置，进行子模型1对应的结构分析计算，与此同时子模型2开始热分析计算，子...

【专利技术属性】
技术研发人员：方学伟，杨健楠，白浩，王常幸，任传奇，黄科，薛飞，卢秉恒，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61