搜索基于ANSYS的激光清洗模具表面溫度場(chǎng)有限元分析
2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
激光清洗是一種新型的工業(yè)清洗技術(shù),它利用激光能量將模具表面的污垢去除。達(dá)到綠色清洗的目的。文章利用ANSYS軟件模擬了激光清洗模具過(guò)程中模具表面的溫度變化,在分析過(guò)程中采用二維單元,并考慮了材料的熱物性隨溫度的變化,建立了有限元模型,得出了模具表面節(jié)點(diǎn)的溫度分布,以及激光功率和掃描速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響,這對(duì)進(jìn)行激光清洗模具技術(shù)的機(jī)理研究具有很大的幫助。
作者: 周桂蓮*孔令兵*孫海迎 來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 激光加工 激光清洗 有限元分析 溫度場(chǎng) ANSYS
0 前言
在我們的日常生活中有許多橡塑制品,這些制品大多是通過(guò)各種模具加工而成的,而這些模具往往在生產(chǎn)過(guò)程中遭到污染和腐蝕,從而對(duì)生產(chǎn)造成影響,所以必須對(duì)模具進(jìn)行清洗,從而保證橡塑制品的質(zhì)量。
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索與實(shí)踐,人們積累了許多清洗模具的方法。最初是使用高溫堿水進(jìn)行浸泡的方法進(jìn)行模具的清洗,隨后又產(chǎn)生了噴砂法、化學(xué)清洗法、干冰法和高壓水清洗法,但是都不能從根本上達(dá)到清洗模具的目的,不能滿足社會(huì)的需求。因此,人們把目光投向了一種新型的清洗技術(shù)——激光清洗模具技術(shù)。激光清洗技術(shù)是指采用高能激光束照射工件表面,使表面的顆粒、銹跡和涂層等發(fā)生瞬間蒸發(fā)與剝離,從而達(dá)到潔凈的工藝過(guò)程。
激光清洗模具時(shí)將激光能量照射到模具表面,這會(huì)引起模具表面的溫度變化,這種溫度變化對(duì)是否能夠有效地去除模具表面的污染物以及模具表面是否會(huì)損害起著至關(guān)重要的作用,因此查看模具表面溫度的變化情況是進(jìn)行激光清洗模具機(jī)理分析的前提。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,以及大型通用有限元軟件在材料熱物性、輻射、對(duì)流換熱等因素的處理方面的成熟和完善,數(shù)值模擬技術(shù)用于激光清洗模具表面的溫度場(chǎng)的計(jì)算越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性,本文正是在此基礎(chǔ)上利用ANSYS有限元軟件,建立了激光清洗模具表面瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元模型。
1 有限元模型的建立
對(duì)激光清洗模具表面溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元分析可以分為4方面,確定熱源模型、材料的熱物性和落實(shí)邊界條件、建立模型以及進(jìn)行區(qū)域離散化求解。
1.1 熱源模型的確定
在激光熱源模型中,點(diǎn)熱源和線熱源都用于溫度場(chǎng)解析解,但研究表明其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有較大的誤差,而高斯面熱源分布是一種比點(diǎn)狀熱源和線狀熱源更切實(shí)際的熱源分布函數(shù),本文中采用近高斯分布的面熱源形式,其熱流分布函數(shù)為:
式中,A為材料對(duì)激光的吸收系數(shù),P為激光功率,R為光斑半徑,r為考察點(diǎn)到光斑中心的距離。
在激光清洗模具表面的過(guò)程中,激光能量以熱流密度的形式加載到模具表面,并以一定的速度移動(dòng),因此利用ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言建立載荷的矩陣表格將空間域離散到時(shí)間域上,在不同時(shí)刻不同位置提供相應(yīng)的熱源載荷輸入,并設(shè)定一定的時(shí)問(wèn)步長(zhǎng),這樣就可以模擬出模具表面的溫度場(chǎng)。
1.2 熱物性參數(shù)的確定
模具一般都是由45鋼或碳鋼制造的,這里以45鋼為例。對(duì)于45鋼,其密度與溫度變化關(guān)系不是很大,按常數(shù)處理,對(duì)最后的結(jié)果影響并不大。這里,由手冊(cè)查得45鋼的密度7833 kg/m3。對(duì)比熱容、熱導(dǎo)率等這些溫度影響較大的熱物性參數(shù),必須根據(jù)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入,以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
由手冊(cè)查得45鋼的比熱容、熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系如表1所示。
圖1 劃分網(wǎng)格后的模具表面
本文取環(huán)境溫度為20℃,空氣的自然熱對(duì)流換熱系數(shù)為12.5W/(m2·℃)。
1.3 模型的建立與網(wǎng)格劃分
對(duì)于激光清洗模具的溫度場(chǎng)分析來(lái)說(shuō),由于我們主要是看模具表面的溫度分布,因此選用2D場(chǎng)來(lái)分析,這樣可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算的過(guò)程。模具表面對(duì)角頂點(diǎn)坐標(biāo)分別為(-0.045,-0.03)和(0.045,0.03)。對(duì)模具表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分后,假設(shè)激光是沿著模具的中部清洗模具表面,所以對(duì)模具中間的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,劃分后模具表面如圖1所示。
1.4 溫度場(chǎng)熱邊界條件的處理
根據(jù)傳熱學(xué)理論,無(wú)內(nèi)熱源非穩(wěn)態(tài)二維熱傳導(dǎo)溫度場(chǎng)的微分方程為:
邊界條件設(shè)定:
式中:ρ、c、λ分別為材料的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù);T、Tf分別為瞬態(tài)溫度、介質(zhì)溫度;Q為單位體積內(nèi)熱生成率,h為物體表面放熱系數(shù); Γ、n分別為固體邊界及其外法線;t為時(shí)間。
2 模擬結(jié)果及討論
2.1 節(jié)點(diǎn)溫度分布分析
圖2主要反映了激光功率在50W、掃描速度在3.5mm/s時(shí),不同時(shí)刻的模具表面的節(jié)點(diǎn)溫度分布,其中圖2(a)中,t=2s,圖2(b)中,t=6s,圖2(c)中,t=10s,圖2(d)中,t=14s,圖2(e)中,t=20s,圖2(f)中,t=26s?？梢钥闯?隨著移動(dòng)的激光熱源以一定的速度加載到模具表面,模具表面的溫度分布也隨著激光熱源的移動(dòng)而變化,呈現(xiàn)一個(gè)拖著尾巴的彗星狀,并且隨著激光掃描的進(jìn)行,熱影響區(qū)范圍越來(lái)越大,溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性越來(lái)越明顯,在激光照射的前端溫度梯度較大,尾部的溫度梯度比較小,這是由于激光熱源的快速移動(dòng)造成的。
表1 45鋼的比熱容、熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系
圖2 不同時(shí)刻的節(jié)點(diǎn)溫度分布模具表面節(jié)點(diǎn)溫度變化分析
2.2 模具表面節(jié)點(diǎn)溫度變化分析
圖3主要反映了模具表面的3個(gè)點(diǎn)在激光熱源移動(dòng)的過(guò)程中的溫度變化,其中激光功率為50W、掃描速度為3.5mm/s。3個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別是(-0.021,0)、(-0.014,0)、(-0.007,0),時(shí)間變化范圍為0-40s。從圖中可以看出,當(dāng)激光熱源經(jīng)過(guò)該點(diǎn)時(shí),該點(diǎn)溫度由低溫迅速升高,當(dāng)激光束移出該點(diǎn)時(shí),溫度迅速下降,表現(xiàn)出典型的急熱急冷現(xiàn)象。
圖3 試樣表面節(jié)點(diǎn)溫度的變化
2.3 激光功率對(duì)溫度場(chǎng)的影響
圖4主要反映了激光功率密度對(duì)溫度場(chǎng)的影響,輸入功率分別為30W、40W和50W,掃描速度為3.5mm/s的條件下,試樣表面定點(diǎn)(0,0)的溫度變化曲線。從圖中可以看出,在相同的移動(dòng)速度和光斑直徑的情況下,試樣表面的溫度隨著功率的升高而增大,這是因?yàn)楣β实拇笮∮绊懼鴨挝粫r(shí)間內(nèi)作用于模具表面單位面積的能量的多少。功率大,在單位時(shí)間內(nèi)輻射到試樣表面單位面積內(nèi)的激光能量越多,因此溫度也就越高。
圖4 試驗(yàn)表面定點(diǎn)在不同功率時(shí)的溫度變化曲線
2.4 掃描速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響
圖5主要反映了激光功率為50W,掃描速度分別為3mm/s、4mm/s、6mm/s的條件下,試驗(yàn)表面定點(diǎn)(0.014,0)的溫度-時(shí)間熱循環(huán)曲線。從圖中可以看出,試樣表面定點(diǎn)的最高溫度隨著運(yùn)動(dòng)速度的加快而減小,主要原因就是運(yùn)動(dòng)速度影響著激光能量作用于模具表面的時(shí)間,運(yùn)動(dòng)速度快時(shí),激光能量作用于模具表面的時(shí)間就短,模具表面吸收的激光能量就少,升高的溫度也就越低,而速度慢時(shí),作用時(shí)間就長(zhǎng),溫度自然也就越高。
圖5 試樣表面定點(diǎn)在不同掃描速度下的溫度變化曲線
3 小結(jié)
在激光清洗模具表面溫度場(chǎng)的分析中,綜合考慮了熱傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流及模具材料的熱物性隨溫度變化的影響,采用了近高斯分布的熱源形式,建立二維瞬態(tài)溫度場(chǎng)有限元分析模型。該模型較為準(zhǔn)確地反映了激光清洗模具時(shí)模具表面的溫度場(chǎng)分布,通過(guò)查看模具表面的溫度場(chǎng)分布,尤其是模具表面的最高溫度,為我們進(jìn)行激光清洗模具的機(jī)理研究提供了依據(jù),具有重要的意義。
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