激光重熔热力耦合场有限元分析流程

摘 要：激光重熔过程中温度及应力的演变决定着成形件的组织和服役性能。以ANSYS平台为例，综述了激光重熔过程中温度场和应力场的分析流程，深入讨论了分析过程中的网格划分、移动热源施加、边界条件设定、热力耦合场、后处理等关键问题的处理方法，为激光重熔数值模拟提供一定的理论借鉴。

关键词：激光重熔 热力耦合场 数值模拟

中图分类号：TG174.44 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）04（c）-0222-03

激光重熔技术是一种采用高能密度的激光束照射金属或涂层表面，使金属表层或涂层快速熔凝与基体形成冶金结合，从而实现金属表面强化的方法[1-2]。但激光重熔过程中温度场和应力场的演变影响着成形件的组织、成分，进而决定着成形件的辅以性能，因此掌握激光重熔过程中热力耦合场的分布至关重要。

但激光重熔过程时间短，物理、化学、冶金变化较为复杂，现有的实验手段很难准确获得温度场及应力场的分布。因此很多学者偏向于采用数值模拟的手段来掌握其温度、应力演变过程。该文基于ANSYS平台，详细综述了激光重熔过程中温度场及应力场分析流程和关键问题的处理方法，旨在为后续温度场与应力场数值模拟提供必要的理论依据。

1 热力耦合场分析方案及模型假设

在激光重熔过程中，影响重熔层组织结构的主要因素包括材料性能、激光工艺参数，而工艺参数则是熔池温度及形状变化的原因，具体工艺参数包括：激光功率P、扫描速度V、光斑直径D等。有限元模拟即将激光功率P、扫描速度V、光斑直径D和材料热物理性能等参数以数学模型的形式加载在所建立的模型上，从而模拟出熔池温度场，由于温差的存在所引起的膨胀或收缩，当所引起的膨胀与收缩受到无外力约束时，在物体内部产生由于温度变化所引起的热变形受到约束而产生的应力称之为热应力[3]。在ANSYS中，计算应力场的方法有直接耦合法和间接耦合法。直接耦合即使用同时具有温度和位移的耦合单元，进行求解之后直接得到温度场和应力场的结果，间接耦合即先进行温度场求解，将得到的温度场计算结果作为体载荷施加在应力场中进行应力分析。由于在激光重熔过程中同时经历着温度场与应力场的变化，严格意义上说其是相互耦合的，但由于应力场对温度场的影响较温度场对应力场的影响要小的多，故在数值模拟过程中一般先对温度场进行模拟，将得到的温度场结果作为应力场的载荷，再进行应力场分析，即只进行热力单向耦合。图1所示为ANSYS热力耦合分析流程图。

由于激光重熔是一个急热骤冷的过程，故在建模时考虑了材料热物性参数、材料力学性能随温度的非线性变化、相变潜热及试样的对流换热和热辐射等，一般对温度场模型做如下假设[4]：（1）材料连续和各向同性；（2）材料表面对激光的吸收率不随温度变化；（3）忽略熔池流动；（4）忽略材料的汽化作用。对应力场的假设为[5]：（1）材料连续和各向同性；（2）忽略熔池流体的流动，将流体假设成流动应力很低的固体；（3）涂层和基体均采用弹塑性材料模型；（4）忽略材料塑性变形的生热，即采用热力弱耦合；（5）不考虑初始应力。

随温度变化的材料热物性参数和力学 性能参数对于瞬态温度场和应力场的模拟尤为关键，在输入材料热力学参数时，必须考虑随温度变化的情况，此外对于金属而言相变潜热的影响不可忽略，在进行温度场分析时可采用随温度变化的焓值来解决相变潜热问题。

1.1 模型建立与网格划分

激光重熔过程温度场及应力场模拟建模时，应当与实际工艺相符。目前国内外大多学者采用长方体结构来建立有限元模型，如图2所示，但这类模型只能模拟简单地板类工件的激光重熔，对于回转体类零件[6]则无法模拟，如齿轮、套筒等，在模拟这些零件的表面重熔时必须建立真实形状的有限元模型，如果模型结构较为对称，可以考虑采用1/2或1/4建模方式。对于复杂结构零件，国内外学者大多采用在Pro/E或UG等软件中建立三维模型再通过IGES等图形交换格式导入有限元分析软件中的方法，并在数据库里形成节点、单元等模型数据[7-9]，如图3所示。

网格划分质量直接影响有限元分析结果的准确性和精度，因此划分网格时要充分考虑计算时间和计算精度的统一性。网格细密虽然能提高精度，但大大延长分析时间；网格粗化，虽能减少计算时间，但计算精度无法保证。激光重熔过程的温度场模拟属于瞬态的热分析过程，一般采用SOLID70及SOLID90单元进行网格划分，但在实际模拟过程中还存在热对流的问题，而在ANSYS中热对流和热流密度不能同时加载在SOLID70单元上，因此，仇卫华等[10]提出了采用表面效应单元，将其覆盖在有热对流的实体表面上，从而解决了这一问题，使模拟结果更加贴近实际过程。同时，在激光重熔过程中，接近热源的区域温度梯度较大，故对模型进行网格划分时要根据精度要求，尽量密一些，而对于温度梯度不大，精度要求不高且远离热源的区域则可以采用较稀疏的网格划分。

1.2 移动热源的施加

2 后处理

ANSYS主要有两种后处理方式：通用后处理器（POST1）和时间历程后处理器（POST26）。POST1是对整个模型在某一载荷步（时间点）的结果进行后处理，POST26则可以对模型中的特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果进行后处理。

在进行POST1后处理时，首先要保证的是数据库中要有相应的模型数据（节点、单元），然后再将数据从结果文件读入数据库。在这里可以利用SETSSUBSET或APPEND命令，即可读取任意时间点的结果。如果设定的时间点不在任何一个时间点上，ANSYS会进行线性插值。

而POST26是用于检查模型中指定点的分析结果与时间、频率等的函数关系，其中一个典型用途是在瞬态分析中以图形表示结果项与时间的关系，或者在非线性分析中以图形表示作用力与挠度的关系[13]。

温度场及应力场模拟结果可以以云图、等值线等形式直观显示。可以清晰地看出某时刻温度和应力的分布情况，为工艺参数选择和预测缺陷提供最为可靠的依据。除此之外，为了更为直观在显示激光重熔过程中的温度应力演变情况，还可以将ANSYS中的数据导出，利用专业的数据处理软件如Origin来进行处理。

3 结语

（1）激光重熔过程中温度场和应力场的分布影响着成形件质量，对激光重熔过程进行有限元模拟可以掌握温度场和应力场演变规律，同时有助于工艺参数的选择和优化。

（2）激光重熔模拟过程中，模型的建立、网格的划分、移动热源的应用、边界条件的处理对模拟结果的准确性影响较大。

（3）有限元模拟结果可以通过温度/应力曲线、云图等直观显示，同时可以借助Origin等数据处理软件进行更为详细的处理。

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