快速再制造成形温度场模拟中的热源模型对比研究

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

The research of two heat source models on cladding remanufactureforming temperature fieldXiang Jie，Wurikaixi Aiyiti，Zhang Lianzhong(School of Mechanical Engineering，Xinjiang University，Wulumuqi 830047，China)Abstract：The robot cladding rapid remanufacturing system is presented，and the forming temperature field simulation of differentheat source model，which are gauss heat source model and double elipsoid heat source model，is researched .And use elementbirth and death technology simulate cladding forming area，then conduct coresponding experiment to have a comparative re-search.The results show that double elipsoid heat source model is closer to the simulation results of the experimental results。

Key words：heat source model；temperature field；remanufacture；element birth and death；rapid prototype言 等 袭快速成形技术基于离散叠加原理，大大降低了加 (DMD)、激光选取烧结 (SLS)和电子束熔覆成形工难度，缩短了加工周期，能够成形复杂零件～快 (EBM) 。但这些方法都需要昂贵的设备和原料，速成形技术应用到产品的再制造 ，能够延长产品的寿 难以在工业上普及。而基于熔焊的直接金属成形因国家自然科学基金项目(51165044)；教育部科学技术研究重点项 目(211200)[2] FINN W，ARJAN V W，MATHIEU W.Managing supplier in-volvement in product development：three critical issues[J]。

European Management Journal，2001，19(2)：157-167。

[3] 姜建华.基于敏捷化供应链模式下产品创新的供应商评价研究[D].天津：天津大学，2006。

[4] 李功越.层次分析法在企业生产质量控制中的应用研究[J].现代制造工程，2007(1)：84-87。

[5] 马文娟，王东，高懿.基于改进层次分析法的汽车零部件物流网络规划[J].上夯通大学学报，2010，44(12)：697-1703。

[6][7]王晓梅，程晓宇.塑料模具材料选择的模糊综合评判[J]。

许树柏.实用决策方法：层次分析法原理[M].天津：天津大学出版社，1988。

作者简介：曹蕾蕾，讲师，主要从事 CAE/CAM相关技术的研 究。目前，已发表论文20篇，其中SCI索引4篇，EI索引6篇。

E-mail：caoleilei### chd.edu.cn收稿 日期 ：2013-01·182l2013年第 5期 现代制造工程(Modem Manufacturing Enneefing)具有成本低 、再制造工件组织致密、尺寸范围大，以及成形速度快等优点，成为了缺损金属零件再制造的-个研究方向。

熔覆过程包括加热 、熔化和凝固，由于熔覆热输入的高度集中，熔合线附近区域都经历了热循环。非均匀的瞬态热导致了工件残余应力和变形的产生2 J，因此，对熔覆成形温度场的准确计算有重要的意义，熔覆成形温度场是残余应力、变形预测和冶金学分析的重要依据。

传统的获取熔覆成形温度场的方法是通过试验获取某点的温度循环数据。虽然这种方法能够获得温度循环数据，但是其耗时长，成本高，精度不高。而运用有限元软件对成形过程进行模拟，能够在短时间内得到熔覆过程的热循环，有限元法已经成为-种有效地模拟熔覆成形温度场的方法。因此，将模拟方法和试验相结合，能够精确、高效地模拟熔覆成形温度常1 再制造成形系统原理图 1所示为机器人熔覆再制造成形系统。系统主要包括逆向工程、仿真和熔覆成形单元 ，通过对缺损零件进行点云扫描，构建零件缺损部分的模型；通过离线编程对再制造修复路径进行规划，生成机器人程序，并结合成形工艺参数，对再制造过程进行仿真及有限元模拟，最后，由机器人夹持焊枪进行加工，完成缺损零件的再制造。图 2所示为再制造过程示意图。

机器人熔覆再制造厂- - - - - - - --- 二二]. 二 丁仿真投熔覆成1垒 璺堡塑 塞图 1 机器人熔覆再制造成形系统2 成形热源模型程仿熔覆成形规律熔覆成形加热和冷却过程高度非均匀的瞬态热和强烈的非线性温度场引起了非均匀的热膨胀和收缩，并导致熔覆区及附近区域的塑性变形，产生残余应力、应变和扭曲，这严重危害了产品的性能，增加了产品的疲劳损伤、应力腐蚀破坏和断裂敏感度 。因22图2 再制造过程不意图此，在温度场模拟中建立合理的热源模型是对成形工艺进行分析的基矗目前，常用的热源模型有高斯表面热源、双椭球形热源、椎体热源和曲面衰减型体积热源 ]。椎体热源和曲面衰减型体积热源由于热流沿深度方向作用大，所以适用于大熔深、高能束密度热源成形工艺，如激光热源、等离子热源。因此，基于桓的快速成形工艺温度场模拟主要采用高斯热源和双椭球型热源。

本文主要研究高斯热源和双椭球型热源下的熔覆成形温度常2.1 高斯热源模型高斯热源模型如图3所示。高斯热源按表面移动的热流处理，电弧通过焊件上-定的作用面积把热能传给工件。通常，在电桓中将这个面积称为加热斑点。加热斑点上的热流分布，-般近似地用高斯函数描述，即：q(r)qmexp(- ) (1)式中：q(r)为加热斑点与热源中心 0的距离为 r的热流密度；q 为热源中心 0处的最大热流密度；K为热能集中系数。

图3 高斯热源模型2.2 双椭球热源模型对于熔化极气体保护焊，热源不仅作用在工件的表面，也作用于工件的厚度方向，所以热源应为体积分布的热源。由于电弧沿熔附向移动，电弧热流分布不对称 ，因此，采用双椭球形热源模型来计算热流分布并作为熔池的热输入函数。加热区域不是关于电弧中心线对称的单个 的半椭球体，而是双半向杰，等 ：快速再制造成形温度场模拟中的热源模型对比研究 2013年第 5期椭球体，并且电弧前、后加热区域的半椭球体形状也不相同。双椭球热源模型如图4所示。

图4 双椭球热源模型电弧作用于工件上的体积热源以点 0为中心分成前(正 向)、后(负 向)两部分。设双半椭球体的半轴为(af，口，，b ，c )，设前、后半椭球体内热输人的份额分别是，， ，前、后半椭球体内的热流分布函数qi(x，y，z)、g ( ，y，z)分另0为：( -6.4-(f fQ )订expa (-等-菩-等1lOhCh h h/ √叮T 、I>0 (2)， xpq YOhCh (-等-菩h-菩h/1 ，L，z ---- e I- - In， 订/订、 ”r 。<0 (3)式中 可按文献[3]选取 0.6； 1.4；Q为热功率。

3 有限元模型3.1 几何尺寸及材料参数本文对熔覆成形的温度厨行了模拟计算，试验用基板(工件)材料为 Q235低碳钢，尺寸为 205mm×95mm×5mm，焊板尺寸及热电偶焊点示意图如图5所示，A、 两点为测温点，也是实验的热电偶(K型)焊点，用来测量成形过程基板的热循环。成形工艺参图5 焊板尺寸及热电偶焊点示意图数：电流为 175A，电压为 26V，焊枪移动速度为 0.4m/min，基板的初始温度为 25(3，保护气体为 CO 。表 1所示为基板材料的热物理性能参数。

表 1 基板材料(Q235低碳钢)的热物理性能参数3.2 网格模型目前，熔覆 区域 的三维模 型大都近似 为长方体 ，它的结构简单、计算速度快，能得到熔覆过程的温度场，但是由于焊道和实际情况有差异，所以结果有-定的误差。本文建立的熔覆区域有限元模型如图6所示，熔覆区域为圆弧形，它的几何参数是根据试验测量而来，更加符合实际情况，减小了模拟误差。

图 6 熔覆 区域有限兀模型在熔覆过程热传导数值分析中，网格的建立十分重要 。网格越粗误差越大，网格越细误差越小，但网格的细化必然导致计算时间的增加。因此，在温度梯度较大、变化速度特别快的熔池区域的网格划分必须很细，单元网格控制在 1-2mm，以提高计算精度。

为了缩短计算时间，远离熔池的区域，其网格划分可以稍稀疏些，以减少整个模型的节点和单元数。本文划分网格采用的是 8节点的热单元 solid70；为方便使用 ANSYS软件的单元生死技术，进行循环重新加载，采用了映射网格划分，单元形状都为六面体。图7所示为不同热源下，熔覆成形中间时刻工件温度分布云图4 熔覆成形试验图8所示为单道熔覆成形系统及试验，使用机器23向杰，等 ：快速再制造成形温度场模拟中的热源模型对比研究 2013年第 5期用，能够模拟温度在厚度方向上的分布，更适用于模拟中厚板、电弧穿透深度大的情况。

熔覆成形模拟完成之后，将A和 B两点的模拟温度与实测温度对比，如图 11所示，由于熔覆加热的局部性在工件上产生不均匀的温度场，同时由于热源的不断移动，工件上各点的温度随时间变化，其熔覆温度场也随时间动态演变。模拟的热循环曲线和实测的热循环曲线都是单峰值的曲线，在标准操作条件和相同成形参数下，模拟的热循环结果的变化趋势和实测结果吻合。

p 赠32时间/0图 11 两种不同热源下 A、B两点的模拟温度与实测温度的对比从图 11中可以看出，双椭球热源在 A、B两点处的热循环曲线更加趋近于实测数据。在相同条件下，高斯热源 、 两点 的温度曲线峰值均低于实际测量值。

高斯表面热源模型的热流分布于基板表面，忽略了板厚方向的热梯度，不能很好地反应热流在深度方向的加载，外部热量通过基板表面输入，再通过热传导作用把热量传递到基板的其他部位，因此，导致了基板厚度方向的热量小，熔深浅。

双椭球热源模型以基板内部热生成的形式，再通过热传导把热量传递到基板的其他部位，能够很好地模拟温度在厚度方向的分布。另外，由于电弧沿熔覆方向运动，电弧热流是不对称分布的；沿电弧运动方向，前半椭球加热区域要比后半椭球加热区域小，电弧前方的热流分布曲线比后方要陡得多，加热区域不是关于电弧中心线对称的单个半椭球体，而是两个 1/4椭球体 ，且电弧前、后的半椭球体形状也不相同。为了更好地模拟熔覆成形过程的电弧热源，本文使用双椭球热源模型，如图4所示，将热源拆为前 1/4椭球(即图4中正 向)和后 1/4 椭球(即图4中负 向)热流分布的热源，两个 l/4椭球的宽半轴 b 和高半轴c 相同，前 1/4椭球的长半轴 a，比后 1/4椭球的长半轴 a 短。因此，采用双椭球热源模型能够更为准确地模拟熔覆成形温度常6 结语本文利用 ANSYS单元生死技术模拟了熔覆成形过程的温度场，分别得到高斯热源和双椭球热源模型下工件的温度常通过试验对比研究发现，使用高斯分布的表面热源能够模拟熔覆成形温度场，但是未考虑熔深方向的热流分布。相 比之下，双椭球热源模型是-种体热源，采用内热源作为电弧热流分布，能够更加准确地模拟熔覆快速成形工艺的温度常