熱源形狀
關(guān)注創(chuàng)建者：孫濤_7388 創(chuàng)建時間：2020-08-31
熱源形狀的實例教程
Marc軟件：焊接仿真領(lǐng)域的強大工具
1、精確的熱源模型
焊接過程中的熱輸入是影響焊接接頭性能的關(guān)鍵因素之一。Marc軟件提供了多種熱源模型，包括雙橢球體熱源模型和體積熱源模型，能夠精確模擬焊接電弧的熱輸入。重慶大學的研究團隊通過調(diào)整熱源參數(shù)，如熱流密度、熱源形狀和移動速度，成功復(fù)現(xiàn)了焊接過程中的溫度場分布。
2、考慮固態(tài)相變（SSPT）和軟化效應(yīng)（SE）
在焊接過程中，材料的微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生復(fù)雜的相變，如奧氏體向貝氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變。這些相變不僅影響材料的力學性能，還會對殘余應(yīng)力的形成產(chǎn)生重要影響。Marc軟件通過引入相變動力學模型（如JMAK模型和K-M模型），能夠準確模擬相變過程及其對殘余應(yīng)力的影響。重慶大學的研究團隊通過實驗觀察，對SH-CCT圖進行了人工修正，進一步提高了模擬結(jié)果的準確性。
3、高效的熱-力學耦合分析
焊接過程中的熱-力學行為是相互耦合的，溫度場的變化會影響應(yīng)力場的分布，反之亦然。Marc軟件采用先進的熱-力學耦合分析方法，通過在有限元網(wǎng)格中實時更新溫度場和應(yīng)力場，能夠準確模擬焊接過程中的熱-力學行為。重慶大學的研究團隊通過這一方法，成功預(yù)測了焊接接頭的殘余應(yīng)力分布，并與實驗結(jié)果高度一致。
4、精確的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置
為了確保計算結(jié)果的準確性，Marc軟件提供了靈活的網(wǎng)格劃分功能，用戶可以根據(jù)焊接接頭的幾何形狀和復(fù)雜程度，自定義網(wǎng)格密度和分布。同時，軟件還提供了豐富的邊界條件設(shè)置選項，能夠模擬實際焊接過程中的各種約束條件，如固定邊界、對稱邊界等。
重慶大學的應(yīng)用成果：從理論到實踐
重慶大學的鄧教授研究團隊通過Marc軟件，對Q960E鋼的單道重熔焊接接頭進行了詳細的仿真研究。
展開 Marc軟件：焊接仿真領(lǐng)域的強大工具
1、精確的熱源模型
焊接過程中的熱輸入是影響焊接接頭性能的關(guān)鍵因素之一。Marc軟件提供了多種熱源模型，包括雙橢球體熱源模型和體積熱源模型，能夠精確模擬焊接電弧的熱輸入。重慶大學的研究團隊通過調(diào)整熱源參數(shù)，如熱流密度、熱源形狀和移動速度，成功復(fù)現(xiàn)了焊接過程中的溫度場分布。
2、考慮固態(tài)相變（SSPT）和軟化效應(yīng)（SE）
在焊接過程中，材料的微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生復(fù)雜的相變，如奧氏體向貝氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變。這些相變不僅影響材料的力學性能，還會對殘余應(yīng)力的形成產(chǎn)生重要影響。Marc軟件通過引入相變動力學模型（如JMAK模型和K-M模型），能夠準確模擬相變過程及其對殘余應(yīng)力的影響。重慶大學的研究團隊通過實驗觀察，對SH-CCT圖進行了人工修正，進一步提高了模擬結(jié)果的準確性。
3、高效的熱-力學耦合分析
焊接過程中的熱-力學行為是相互耦合的，溫度場的變化會影響應(yīng)力場的分布，反之亦然。Marc軟件采用先進的熱-力學耦合分析方法，通過在有限元網(wǎng)格中實時更新溫度場和應(yīng)力場，能夠準確模擬焊接過程中的熱-力學行為。重慶大學的研究團隊通過這一方法，成功預(yù)測了焊接接頭的殘余應(yīng)力分布，并與實驗結(jié)果高度一致。
4、精確的網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置
為了確保計算結(jié)果的準確性，Marc軟件提供了靈活的網(wǎng)格劃分功能，用戶可以根據(jù)焊接接頭的幾何形狀和復(fù)雜程度，自定義網(wǎng)格密度和分布。同時，軟件還提供了豐富的邊界條件設(shè)置選項，能夠模擬實際焊接過程中的各種約束條件，如固定邊界、對稱邊界等。
重慶大學的應(yīng)用成果：從理論到實踐
重慶大學的鄧教授研究團隊通過Marc軟件，對Q960E鋼的單道重熔焊接接頭進行了詳細的仿真研究。
展開 可以實現(xiàn)任意路徑的焊接過程分析
焊接一般是指采用加熱的方式將焊材融化并將兩個被焊接件進行連接的工藝，可能有電加熱、燃氣加熱等多種形式熱源，甚至還有摩擦生熱的方式。但無論哪種加熱方式，都需要有一個升溫、降溫的過程，即升溫時材料要膨脹、軟化（強度變?nèi)酰苄孕阅苊黠@），冷卻時要回縮、硬化。
這個過程給工程上帶來一系列的問題：熱應(yīng)力問題、熱變形問題。為了應(yīng)對這些問題，很多結(jié)構(gòu)還需要實施退火、矯正變形等工藝。焊接引起的熱應(yīng)力是不均勻的，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、焊道越多，熱應(yīng)力越復(fù)雜，因此很難通過實驗方法獲得一個結(jié)構(gòu)的完整的熱應(yīng)力狀態(tài)。
通過計算機仿真的方法，模擬整個焊道的形成過程，便可以獲得與實際相符的溫度場的變化情況以及熱應(yīng)力的分布情況。現(xiàn)以一個車橋的橋殼焊接過程為例，演示一下采用計算機仿真分析方法模擬焊接的過程。
從本質(zhì)上講，焊接分析過程是一個瞬態(tài)傳熱的過程，在ABAQUS或其它主流CAE軟件中，主要采用單元生死方法或子程序控制熱源的移動位置來模擬焊接的逐步完成的過程。單元生死法需要在每一個新的step中激活一小段焊線，因此復(fù)雜的結(jié)構(gòu)基本無法實現(xiàn)；而程序控制熱源的方式，需要手動編寫程序，使得熱源可以沿著指定的路徑移動，實現(xiàn)瞬態(tài)焊接。但是問題來了，直線、規(guī)則曲線或者任意可以用公式描述的曲線當然可以編程實現(xiàn)，但是很多的結(jié)構(gòu)焊線是不規(guī)則的三維空間曲線，編程者束手無策了。
本例也是采用熱源逐漸移動的方式模擬焊接，但是不是通過程序來控制熱源移動，而是通過焊線自身的形狀讓熱源沿著焊線行走，因此可以模擬任意路徑的焊線，并且中間可以實現(xiàn)焊qiang位置的跳躍。
展開 要獲得熱源表面和任意形狀之間的緊密接觸，良好的柔性是必不可少的；無支撐薄膜熱電材料由于可以容易地轉(zhuǎn)移到任何襯底上，通過減少熱能損失而顯著提高效率，通常是獲得最優(yōu)器件配置的首選材料。
無機硫?qū)倩衔铮ㄈ鏐i2Te3）是一種傳統(tǒng)的熱電材料，其可在寬的運行溫度下實現(xiàn)最優(yōu)異的性能，但這種材料的脆性和剛性限制了它們在柔性熱電領(lǐng)域的應(yīng)用。聚合物熱電材料雖然具有柔性好、重量輕以及易加工等優(yōu)點，但由于其熱穩(wěn)定性差、效率低以及接觸電阻高等缺點，因此嚴重阻礙其在熱電材料中的應(yīng)用。碳納米管（CNTs）具有獨特的電、熱性能和優(yōu)異的柔韌性，理論預(yù)測和實驗都表明CNTs是一種極具前景的柔性熱電材料。由于CNTs基復(fù)合材料中的碳納米管分布不均、弱的界面相互作用、雜質(zhì)較多以及結(jié)構(gòu)混亂等缺點，因而這種材料的熱電性能遠低于最新的無機硫?qū)倩衔铩Ｒ虼耍O(shè)計和制備具有優(yōu)異綜合性能的柔性熱電材料仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。
【成果簡介】
近日，中科院金屬所邰凱平研究員、劉暢研究員和中科院近代物理所高寧研究員（共同通訊作者）等人合作利用磁控濺射技術(shù)在CNT支架上組裝層狀結(jié)構(gòu)的Bi2Te3用于制造柔性熱電器件。該材料的功率因數(shù)在室溫下為~1600 μWm-1K-2，而在溫度為473 K時下降為1100 μWm-1K-2。其平面晶格熱導(dǎo)率為0.26±0.03 Wm-1K-1，室溫下最高的熱電品質(zhì)因數(shù)可達0.89，這種性能主要來源于一種強的聲子散射效應(yīng)。Bi2Te3-SWCNT材料優(yōu)異的柔性與熱電性能主要來源于晶體取向、界面和納米孔結(jié)構(gòu)，該研究結(jié)果為設(shè)計和制備高性能柔性熱電材料提供了新的思路。
展開 隨著更多金屬粒子的沉積，緊密結(jié)合的金屬零件層將會形成所需的形狀，幾乎不需要后處理。TKF工藝將材料損失減少了90%，同時將溫室氣體 (GHG) 排放量減少了60%，并且已在航空航天和國防領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如可用于飛行的航空部件和高性能火箭部件。
△TKF是“冷噴涂”增材制造工藝，不使用激光或其他熱源來熔化粉末形狀。所需能量都來自加壓氣體的動能。圖片由Titomic提供。
TKF的構(gòu)建速度非常快，TKF 9000的構(gòu)建速度為每小時75kg，能夠生產(chǎn)最大體積為 9m x 3m x1.5m 的零件。產(chǎn)品具有高拉伸強度，孔隙率為0.3%。Titomic打印機使用各種不同的金屬和合金粉末，包括鈦、銅、鋼、鎳、Inconel 718 和Invar 36。
△TKF9000超大型工業(yè)3D打印機。圖片由Titomic提供。
通過TKF，Titomic開發(fā)了融合不同金屬的方法。例如，先打印鈦層，然后在上面打印鎳或鋼等其他金屬層，從而創(chuàng)建一個多金屬組件，利用所有金屬的優(yōu)點。TKF還可以制造以不同比例混合并在打印過程中融合的異質(zhì)合金。工藝能夠?qū)酆衔铩⑺芰虾吞沾晒ぞ哌M行金屬化處理，提高耐用性，并以具有成本效益的方式及時賦予零件更多特性。無論是多金屬熔合、異質(zhì)合金還是金屬化，都可以在軍事領(lǐng)域（包括從火炮外殼、q管到防彈衣和機器零件）應(yīng)用。
△TKF可以使用不同金屬打印單個組件。此部件具有純鈦部分、鈦和銅異質(zhì)合金部分以及鎳超合金部分。圖片由Titomic提供。
2020年2月，Titomic與全球國防制造商Composite Tech簽署了2250萬澳元（約1.1億人民幣）的協(xié)議，使用增材制造技術(shù)為北約提供國防產(chǎn)品。
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重慶大學的研究團隊通過調(diào)整熱源參數(shù)，如熱流密度、熱源形狀和移動速度，成功復(fù)現(xiàn)了焊接過程中的溫度場分布。
2、考慮固態(tài)相變（SSPT）和軟化效應(yīng)（SE）
在焊接過程中，材料的微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生復(fù)雜的相變，如奧氏體向貝氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變。這些相變不僅影響材料的力學性能，還會對殘余應(yīng)力的形成產(chǎn)生重要影響。
重慶大學的研究團隊通過調(diào)整熱源參數(shù)，如熱流密度、熱源形狀和移動速度，成功復(fù)現(xiàn)了焊接過程中的溫度場分布。
2、考慮固態(tài)相變（SSPT）和軟化效應(yīng)（SE）
在焊接過程中，材料的微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生復(fù)雜的相變，如奧氏體向貝氏體和馬氏體的轉(zhuǎn)變。這些相變不僅影響材料的力學性能，還會對殘余應(yīng)力的形成產(chǎn)生重要影響。
△TKF是“冷噴涂”增材制造工藝，不使用激光或其他熱源來熔化粉末形狀。所需能量都來自加壓氣體的動能。圖片由Titomic提供。
TKF的構(gòu)建速度非常快，TKF 9000的構(gòu)建速度為每小時75kg，能夠生產(chǎn)最大體積為 9m x 3m x1.5m 的零件。產(chǎn)品具有高拉伸強度，孔隙率為0.3%。
要獲得熱源表面和任意形狀之間的緊密接觸，良好的柔性是必不可少的；無支撐薄膜熱電材料由于可以容易地轉(zhuǎn)移到任何襯底上，通過減少熱能損失而顯著提高效率，通常是獲得最優(yōu)器件配置的首選材料。
無機硫?qū)倩衔铮ㄈ鏐i2Te3）是一種傳統(tǒng)的熱電材料，其可在寬的運行溫度下實現(xiàn)最優(yōu)異的性能，但這種材料的脆性和剛性限制了它們在柔性熱電領(lǐng)域的應(yīng)用。
本例也是采用熱源逐漸移動的方式模擬焊接，但是不是通過程序來控制熱源移動，而是通過焊線自身的形狀讓熱源沿著焊線行走，因此可以模擬任意路徑的焊線，并且中間可以實現(xiàn)焊qiang位置的跳躍。
