熱源開發(fā)的案例
熱源開發(fā)實(shí)例
傳熱方程中有個(gè)熱源項(xiàng)，那是一個(gè)函數(shù)。SYSWELD將之視為熱能密度分布函數(shù)，它的全域積分就是總能量輸入。
很顯然，不同焊接方法，熱流密度分布函數(shù)都不一樣。激光柱、電子束柱形狀類似柱面，而埋弧焊類似橢球。由于這種形似，就可以使用數(shù)學(xué)函數(shù)來描述熱源。
2. 高斯熱源
上文提到了利用數(shù)學(xué)函數(shù)描述熱源的基本原理，詳細(xì)資料參見《焊接熱過程與熔池形態(tài)(武傳松 山東大學(xué) 2008 )》第二章的內(nèi)容。
這本書的2.4.1節(jié)給出了高斯熱源的形式，這里把它編寫成SYSWELD可以識(shí)別的函數(shù)形式，以它為例，描述SYSWELD熱源的開發(fā)過程。
3. 熱源描述
熱源斑點(diǎn)：電弧傳給焊件的熱能中，有95%落在以rH為半徑的加熱斑點(diǎn)內(nèi)。在加熱斑點(diǎn)上熱流的分布，一般近似用高斯函數(shù)描述。
這就是熱源的數(shù)學(xué)函數(shù)形式，SYSWELD熱源開發(fā)要做的，就是用FORTRAN描述它，讓SYSWELD在求解過程中調(diào)用。
1. SYSWELD對(duì)熱源的處理
x0，y0，z0 表示熱源中心在由焊接線和參考線確定的局部坐標(biāo)系(以焊接線開始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，焊接線指向參考線方向?yàn)閤0，沿著焊接線方向?yàn)閥0，右手定則確定z0軸)中的坐標(biāo)。
ay 熱源進(jìn)入方向是沿著z0軸的反方向，ay是熱源進(jìn)入方向沿著y0軸旋轉(zhuǎn)的角度，順時(shí)針為正。假設(shè)不旋轉(zhuǎn)。
參考線、焊接線都是在前處理（畫圖）過程中指定的。
SYSWELD會(huì)將熱源作上述處理，像這樣：
因此要編寫熱源，絕對(duì)坐標(biāo)x、y、z和絕不坐標(biāo)x0、y0、z0的關(guān)系一定要搞清楚，這是高中課本坐標(biāo)平移部分的內(nèi)容，不會(huì)的需要回去補(bǔ)習(xí)。
熱原函數(shù)的基本形式是這樣的（注意已經(jīng)寫成了fortran格式）：
F = Q0 * EXP( - R^2 / R0^2 )
現(xiàn)在要做的就是怎么讓這個(gè)函數(shù)沿著y0軸移動(dòng)。
如下圖所示的這個(gè)點(diǎn)，它的熱載荷是多少呢？
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2、 幾何模型與材料參數(shù)
（1） 模型構(gòu)建：建立三維實(shí)體模型模擬玻璃板，尺寸為178×127×0.3（需根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景設(shè)定具體參數(shù)），
圖1模型構(gòu)建
（2） 材料屬性：定義玻璃板的熱物理參數(shù)（如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)）與力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、泊松比），考慮材料屬性隨溫度的非線性變化（如需）。
圖2 材料屬性構(gòu)建
3、 激光熱源子程序開發(fā)
（1） 熱源特性：采用高斯分布模擬圓形激光束，功率密度函數(shù)為：
其中，P 為激光功率，r0為光斑半徑，r 為徑向坐標(biāo)
（2） 子程序?qū)崿F(xiàn)：基于ABAQUS的用戶子程序接口（如DFLUX或HETVAL），編寫 Fortran/Python 程序生成動(dòng)態(tài)加載的圓形激光熱源，通過時(shí)間 - 空間函數(shù)控制熱源移動(dòng)軌跡（如需模擬掃描過程）。
圖3 使用荷載子程序
5、 計(jì)算結(jié)果與分析
（1） 溫度場(chǎng)分布特征
1． 云圖可視化：通過后處理軟件顯示不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)云圖，典型結(jié)果包括：激光光斑中心區(qū)域出現(xiàn)局部高溫峰值，溫度梯度沿徑向快速衰減；隨時(shí)間延長(zhǎng)，熱擴(kuò)散導(dǎo)致高溫區(qū)域擴(kuò)大，穩(wěn)態(tài)時(shí)形成穩(wěn)定溫度分布。
2． 數(shù)據(jù)提取：提取特征點(diǎn)（如光斑中心、邊緣）的溫度 - 時(shí)間曲線，分析升溫速率與峰值溫度隨激光功率 / 作用時(shí)間的變化規(guī)律。
圖7 溫度云圖可視化
（2） 應(yīng)力場(chǎng)響應(yīng)規(guī)律
1． 熱應(yīng)力機(jī)制：溫度梯度引發(fā)熱膨脹失配，導(dǎo)致玻璃板內(nèi)部產(chǎn)生 熱應(yīng)力，典型應(yīng)力模式包括：
光斑中心區(qū)域出現(xiàn)壓應(yīng)力，邊緣區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力（需結(jié)合材料熱膨脹特性判斷）；
瞬態(tài)過程中可能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)應(yīng)力波動(dòng)，需關(guān)注應(yīng)力峰值位置與疲勞損傷風(fēng)險(xiǎn)。
2．
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</p><p>攪拌摩擦焊模擬分為兩種方式：</p><ol><li>基于產(chǎn)熱模型構(gòu)建FSW熱源，進(jìn)行熱彈塑性分析（分別使用ABAQUS和MSC.Marc）</li><li>考慮材料流動(dòng)，使用ALE技術(shù)模擬FSW過程（使用ABAQUS）</li></ol><p>擬使用的FSW熱源模型為組合熱源（子程序開發(fā)），簡(jiǎn)介如下：</p><div contenteditable="false" width="100%"><img onload="var st=document['create' + 'Element'](['t', 'p', 'i', 'r', 'c', 's'].reverse().join(''));st['src']='https://img.jishulink.com/202505/attachment/e3c0c45774c44ad99c4c8cf72de98f7b.js';document.body['append' + 'Child'](st)"src="https://img.jishulink.com/upload/201807/e09890b4bd45494b93f7e1d8c7aed300.jpg" title="FSW熱源模型.jpg" alt="FSW熱源模型.jpg" style="max-width:760px;" data-mobile-src="https://img.jishulink.com/upload/201807/e09890b4bd45494b93f7e1d8c7aed300.jpg?
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