材料沉積是焊接和增材制造等制造工藝的重要組成部分。對這類制造工藝進行仿真時，你可能會面臨這樣一個難題：如何在零應(yīng)力狀態(tài)下添加并沉積材料。在本文中，我們將介紹 COMSOL Multiphysics? 軟件中的激活特征及其在材料沉積仿真中的應(yīng)用。

材料為什么需要激活或失活？

想象一下你正在模擬初始熔融，然后凝固的結(jié)構(gòu)材料，或者初為固體，而后熔化的材料。電弧焊、選擇性激光熔化和選擇性激光燒結(jié)等制造工藝的仿真往往會涉及這種需求，而后兩者是常見的增材制造方法。

“材料激活”是模擬增材制造工藝的一個有用工具。3D 打印機圖片由 Jonathan Juursema 提供。在 CC BY-SA 3.0 許可下使用，通過  Wikimedia Commons 分享。

利用激活節(jié)點，你可以在仿真中輕松地將材料激活或失活。在 COMSOL Multiphysics? 5.4 版本及以上版本中，附加的“結(jié)構(gòu)力學模塊”和“MEMS 模塊”均提供了激活節(jié)點。

激活材料：原生法

模擬結(jié)構(gòu)中并不存在的材料的一種方法是簡單地將其彈性剛度降低到可忽略不計的程度。這樣一來，結(jié)構(gòu)的其余部分可以自由變形，而不會“感覺到”那些弱結(jié)構(gòu)材料。只要我們不希望激活材料，就可以采取這個可行的辦法。

在仿真過程中，如果我們試圖通過在某一點上將材料剛度恢復為標稱水平，以使弱結(jié)構(gòu)材料變?yōu)榧せ顮顟B(tài)，必然造成一個問題。剛度恢復后，被激活材料的任何應(yīng)變將導致應(yīng)力突然產(chǎn)生。大多數(shù)情況下，這不是激活材料的期望效果。相反，我們應(yīng)該在零應(yīng)力狀態(tài)下使材料被激活。因為我們通常模擬的是沉積或凝固的材料，所以后一種情況更加符合物理學。

無應(yīng)力狀態(tài)下激活材料

激活節(jié)點避免了上述人為造成的應(yīng)力問題。此節(jié)點可以降低非活性材料的剛度，但更重要的是，它還能消除任何在被激活瞬間產(chǎn)生的彈性應(yīng)變。簡單地說，材料在零應(yīng)力狀態(tài)下被激活。

如下圖所示，激活節(jié)點位于線性彈性材料節(jié)點下，固體力學和膜接口均可以添加此節(jié)點。

激活功能及其設(shè)置窗口。

設(shè)置窗口的激活面板包含兩個設(shè)置：

• 激活表達式

• 激活比例因子

激活表達式設(shè)置是你定義的邏輯表達式，它的作用是判斷材料是否處于被激活狀態(tài)，是根據(jù)網(wǎng)格單元的積分點定義的。舉例來說，如果表達式邏輯為真（溫度  小于凝固溫度 ），則讀取 T<T_s 的激活表達式將指示材料處于被激活狀態(tài)，否則為非激活狀態(tài)。

激活比例因子 設(shè)置定義了彈性剛度的權(quán)重，借此模擬不存在的材料。因子的默認值為 10-5，你可以根據(jù)需要進行修改。但是，過小的值會使剛度矩陣變得病態(tài)。

軟件提供了兩個內(nèi)置變量來描述激活/非激活狀態(tài)：

• isactive

• wasactive

變量  isactive  指示材料當前處于激活/非激活狀態(tài)，而變量 wasactive 指示在仿真過程中，材料在之前的任何時間點上是否曾處于激活狀態(tài)。在包含 solid 標記的固體力學接口中，描述材料當前狀態(tài)的變量則寫作 solid.isactive。在某些情況下， wasactive 變量可用于簡化激活表達式的公式，我們將在下文詳述。

注意：如果材料經(jīng)歷過多次激活/失活事件，則在每一個被激活瞬間，彈性應(yīng)變都會被消除。這意味著無論之前如何經(jīng)歷激活或失活，材料始終在無應(yīng)力狀態(tài)下被激活。非彈性應(yīng)變，例如塑性應(yīng)變，則不會被消除。

我們來看一些如何使用激活節(jié)點的案例。

案例 1：逐點激活

我們假設(shè)一個簡單的二維示例。你希望使材料隨時間 t 的推移逐漸沿 y 方向激活。想象的“激活前沿”以速度 vel 向前推移，因此被激活材料的區(qū)域由公式 給出。我們將它輸入到激活表達式欄中，如下圖所示。

逐點材料激活的激活表達式。

為了解釋這一點，想象一個包含四個積分點（高斯點）的實體四邊形單元，如下圖所示。我們可以通過計算上文的激活表達式，使每個積分點單獨被激活。在實踐中，這意味著如果單個網(wǎng)格單元擁有多個積分點，那么它可以實現(xiàn)部分激活。

對網(wǎng)格單元中的各個積分點進行激活。

案例 2：逐單元激活

現(xiàn)在考慮另一種情況：使整個網(wǎng)格單元激活，但并非基于單個積分點。為此，你需要修改激活表達式，改成在每個網(wǎng)格單元中對每個積分點進行同等計算。這一操作可以利用質(zhì)心 運算符來完成。我們修改了上一個案例中的激活表達式，如下圖所示?，F(xiàn)在，我們在網(wǎng)格單元質(zhì)心上計算 Y 坐標，這意味著對于網(wǎng)格單元中的所有積分點，激活表達式將獲得相同的值。

逐單元材料激活的激活表達式。

在下圖中的網(wǎng)格單元內(nèi)部，我們對單元質(zhì)心運算了激活表達式，所以四個積分點均處于被激活狀態(tài)。

通過使用質(zhì)心運算符對網(wǎng)格單元中的所有積分點進行激活。

案例 3：使用之前的激活狀態(tài)

假設(shè)你需要模擬激光熔覆工藝，在工藝過程中，填充材料隨著時間的推移熔化并沉積。激光束位置隨時決定材料的沉積位置。工藝過程開始后，激光束的整個軌跡限定了之前被激活材料的區(qū)域。（關(guān)于模擬激光束運動的詳細信息，請閱讀介紹移動載荷與約束建模的博客文章。）借助變量 wasactive，我們不必以通過數(shù)學方式描述激光束軌跡。這類情況的激活表達式可以表述為：

(描述激光束當前位置的邏輯表達式）|| solid.wasactive

該表達式規(guī)定，如果“描述激光束當前位置的邏輯表達式”為真，或者 如果材料在仿真的任何之前時間（或參數(shù)步驟）曾處于被激活狀態(tài)，則材料處于激活狀態(tài)。如果激活表達式?jīng)]有使用 wasactive 變量，那么激光束經(jīng)過后，材料將變成失活狀態(tài)，這很可能與預期效果相反。

結(jié)果可視化

假設(shè)你模擬過了材料隨時間沉積的時間依賴性工藝，那么僅顯示域中被激活部分的結(jié)果這一功能或許會吸引你的興趣。如下圖所示，在過濾器 節(jié)點下的包含邏輯表達式 中添加變量isactive，即可實現(xiàn)這項操作。請注意，根據(jù)選定的運算類型，與定義在網(wǎng)格單元的積分點上的基礎(chǔ)變量 isactive 相比， isactive 的過濾結(jié)果可能稍有不同。

使用過濾器節(jié)點僅顯示域中被激活部分。

關(guān)于激活節(jié)點的結(jié)語

在本篇博客文章中，我們描述了在仿真過程中使用激活 節(jié)點實現(xiàn)材料激活的不同方法。利用激活 節(jié)點，我們可以輕松地模擬不同類型的制造工藝（例如焊接和增材制造）的材料沉積過程。

來源：COMSOL