Workbench 中的热源仿真

探索使用自定义工具对移动热源进行建模及其在不同行业中的应用。

了解热源动力学

对移动热源进行建模为各种工业过程和应用提供了有价值的见解。激光加热和材料加工使用许多激光束来加热、焊接或切割材料。尽管在某些情况下，热源 （q） 不是通常的高斯强度分布，但这是一般方程给出的众所周知的方法：

 

哪里

q 是所需表面上的热通量 [W/m2]

c 是源功率强度 [W]

x、y 和 z 定义了热通量中心的瞬时位置，该中心位于“路径”上，距离“起点”[mm]的计算距离 （x = v.t）。请注意，v 是热源的速度 [mm/s]，t 是时间 [s]。

下图提供了定性表示，这次是 x、y：

 

每种基于激光的材料加工方法都需要在指定的时间范围内将精确的能量输送到适当的位置，以保证有效的加工。加工过程中的热历史会显著影响熔池动力学、残余应力、微观结构等因素，并最终影响加工零件的最终机械性能和尺寸精度。

鉴于试错实验的高成本，数学建模成为经济地深入了解这些基于激光的过程的宝贵工具。 然而，建模允许探索不同的激光束配置和能量分布，由于每种变化都需要专门的激光设备，因此在实验中测试这些配置和能量分布可能不切实际。

然后，建模可能有助于优化激光加工参数，以可靠地获得目标材料特性，同时最大限度地减少昂贵的实验迭代。移动热源的问题可以通过 CFD 工具（如 CFX 和 Fluent）或 FEA 软件包来解决。

 

移动热源建模

本博客中的演示是在 Workbench 环境中提供的“瞬态-热”模块上执行的。请务必记住，不建议在“稳态”模块上使用此 ACT（Ansys 定制工具）。在瞬态模型中，用户可以在分析中包括更多的热边界条件，例如仿真期间的对流和辐射。 

 

Ansys 定制工具

Ansys Store 是一个平台，提供广泛的应用来增强 Ansys 解决方案的功能。这些应用被称为 Ansys 定制工具 （ACT），是已发布的 ACT 扩展，旨在在目标 Ansys 产品中执行特定功能。

该商店提供由 Ansys 和值得信赖的合作伙伴开发的免费和付费应用。要购买付费应用程序，您需要请求离线履行的报价，而免费应用程序只需登录即可下载。该商店还允许您根据目标应用程序、产品版本和价格过滤应用程序。

客户可以通过下载源代码附带的免费应用程序从 ACT 中受益，允许他们查看、复制甚至修改代码以创建针对其特定需求定制的自定义应用程序。这可以通过自动执行任务或向现有 Ansys 产品添加新功能来显著简化仿真流程并提高生产力。

 

安装 ACT

首先，您必须下载并安装一个为此目的开发的 ACT。请执行以下步骤：

1. 在线访问 Ansys 商店。
    
2. 搜索： 热源.
    
3. 您将看到以下 ACT。
    

   

   
   
    
4. 单击每个选项以访问描述和 Download 链接。获取文件并在计算机上解压缩文件。
    
5. 现在，打开 Workbench。转到 Extensions > Install Extension 安装扩展。在步骤 4 中解压缩的文件中搜索 bin 文件夹中的 wbex 文件。
    

   

    

   

   
   
   安装 ACT 后，您将看到以下消息作为确认：
    

   

   
   
    
6. 打开“ACT 起始页”，然后打开“管理扩展”
    

   

    

   

   
   
    
7. 单击灰色三角形，然后单击 'Load Extension'。Nex 中，您将看到 ACT 块是绿色的。ACT 已准备就绪，可供使用。
    

   

     

   

现在，转到 Project Desktop。拖放 'Steady-Thermal' 模块。您将看到两个选项卡，分别名为 'Moving Heat Flux' 和 'Moving Heat Energy'。

 

模型设置

• 创建几何体和网格;这里对经典钢板进行建模 （70 x 40 x 10 mm）。请注意，该几何体有三个实体和一条中心线。请注意以下步骤，以了解如何准备几何图形。
   

  

  
   
• 回想一下，对流 和 辐射 应用于除底部之外的所有表面，其中定义了完美的绝缘。现在，右键单击“瞬态-热”>插入>移动热通量。
   

  

  
   
• 设置。A：几何
  
  图形。选择顶部的蓝色曲面 （而不是实体）。
  
  路径。选择定义热源轨迹的线。这意味着路径是几何图形的一部分。在本例中，它是一条直线。
  
  起点。所选点将位于 Heat （加热） 曲线的中心作为起始位置。
   

  

  
  
   
• 设置 B：热源
  
  指数。当包含两个或多个热源设置时，它是给定热源设置的 ID。
  
  第一个补丁？。键入要应用的第一个热源的索引。
  
  最后一个补丁？。键入模型中最后一个热源的索引。当只有一个热源时，答案是肯定的。
  
  速度。它是热源的速度。方向由 Path 定义。注意单位。
  
  梁的半径。键入梁半径（而不是直径）。同样，要注意单位。
  
  源 Power Intensity。键入 Heat Source（热源）的运行强度。这意味着，最大值。回想一下，这是一个高斯分布。
  
  开始和结束时间。在稳态仿真中，这在分析设置的初始/结束步骤中定义。请注意，必须根据每个热源的时间和速度（距离 = 速度*时间）覆盖总距离。
  
  段数。这是一个优化路径分割的选项，路径被划分为等距点，这些点将用作移动热通量的中心。仅适用于“Last Patch”。
  
  冷却阶段的最小步骤。用户可以增加总分析时间，从而可以同时模拟“结束时间”和板的冷却。此输入定义冷却阶段的子步骤数。
  
  材料去除。是/否。此选项允许包含此效果，并且需要更多的计算资源进行处理。
  
  熔化温度。设置限制以应用材料删除。
   

  

 

结果

• 无需去除材料的热源

基线模型是使用 12 个内核求解的模型。下面显示的视频显示了板上按温度着色的轮廓。此外，该图还显示了使用一个 HPC Pack 许可证时处理时间的减少。综上所述，其速度提升大约是具有四个内核的模型时间的四倍。

 

 

材料去除

如前所述，此 ACT 包括删除超过温度限制的元件的选项;即材料的熔化温度。为此，激活元素诞生和死亡功能以“杀死”具有上述条件的元素。信息保存在名为 “ekill_curr.txt”、“Killed_ele.txt” 和 “read_kill.txt” 的文件中。需要注意的是单元类型，因为材料去除仅适用于线性单元。使用 12 个内核时，相同几何体和设置的处理时间达到了大约 15 小时。

 

  

键入 400°C 的值仅用于演示目的。