【技术领域】
[0001] 本
发明属于
增材制造技术领域，具体涉及一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法。【背景技术】
[0002] 增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是基于分层制造原理，采用材料逐层累加的方法，直接将数字化模型制造为实体零件的一种新型制造技术。与传统制造技术相比，增材制造技术具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点，在航天航空、
汽车、
电子、医疗、军工等领域得到了广泛应用。
[0003] 其中，电弧熔丝增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing，WAAM)技术采用电弧作为热源，通过不断
熔化填充丝材并根据目标构件的数字模型沿成形轨迹逐层堆积出金属零件，具有成形尺寸大、设备成本低、材料利用率和沉积效率高等优点，是一种可实现高性能金属零件经济快速成形的方法。
[0004] WAAM工艺的优势在于可高效快速实现大型构件的快速制造，但大尺寸构件电弧熔丝沉积成形过程中的
应力变形规律复杂，而有限元数值计算是一种非常有效的分析预测变形和应力的方法。在沉积开始前即预置所有单元，采用生死单元技术以实现金属的逐步熔敷，可为大型复杂构件的增材应力变形计算提供
精度较高的预测结果。WAAM的工艺可类比于多层多道
焊接，多采用热力间接耦合计算方法，即将热分析得到的
节点温度作为
载荷施加在后续的应力分析中来实现耦合计算。但由于WAAM工艺成形构件尺寸较大(可达m量级)，而焊接热源瞬时加热区域相对极小(mm量级)，为保证计算结果的规律符合实际、计算精度满足预期要求，需要的网格数量和载荷步数极多，采用常规热-力间接耦合数值分析方案需要极大的时间开销，不利于该方法在工程中的应用推广。
[0005] 在WAAM成形件中包含
基板和沉积区两部分，而大型构件中所用基板的三维尺寸远小于沉积区，导致沉积区网格数量在全尺寸模型中的占比极高。在热-力计算前期沉积区只有少量单元被激活以实现金属的熔敷，大部分沉积区单元处于“死”状态，但这些“死”单元仍然参与到计算过程中，增大了热分析中温度矩阵的求解难度和时间，显著提高了计算量。根据以往经验，针对计算效率低的解决方法包括沉积层合并、层内载荷步合并、简化热源模型、缩减网格数量等。但是为了保证计算的精度，合并和缩减有一定的局限性，过于简化会导致计算收敛性和精度大幅变差。同时，采用上述任何一种方法均不能有效改变沉积区网格数量多且占比极大的特征，导致计算效率难以有很大提升。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服上述
现有技术的缺点，提供一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法。该数值计算方法提出了“模型分割-
迭代计算”的新流程，减少了计算前期沉积区“死”单元数量，从而提高了热分析前期和结构分析的计算效率。
[0007] 为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
[0008] 一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，包括以下步骤：
[0009] (1)根据目标成型构件的结构设计图，建立沉积件和基板全尺寸实
体模型，对全尺寸实体模型划分网格，得到划分网格后的全尺寸实体模型，划分的网格共有l层，l为≥1的自然数；
[0010] (2)根据全尺寸实体模型中网格划分的层数l，共得到n个子模型；其中，子模型k为在子模型k-1上增加m层的沉积区，其中，1≤m＜l，1≤n≤l，1＜k≤n；
[0011] (3)子模型1进行热分析计算，子模型1的热分析计算结束时，全尺寸模型开始进行结构分析结算；第k个子模型热分析计算的初始条件为第k-1个子模型热分析计算的结果；每一个子模型依次进行热分析计算的同时，全尺寸模型的结构分析计算同步进行，最终至子模型n的热分析计算和全尺寸实体模型的结构分析计算结束。
[0012] 本发明的进一步改进在于：
[0013] 优选的，步骤(2)中，1≤m≤5。
[0014] 优选的，步骤(2)中，n＝l，m＝1。
[0015] 优选的，步骤(2)中，n个子模型和全尺寸实体模型中同一空间
位置处的节点编号相同。
[0016] 优选的，步骤(3)的具体过程为：子模型1的热分析计算结束时，将子模型1的温度场计算结果作为温度载荷施加于全尺寸模型的同一位置，进行子模型1对应的结构分析计算，与此同时子模型2开始热分析计算，子模型2热分析计算的初始条件为子模型1热分析计算的结果；
[0017] 子模型2的热分析结束时，以子模型1对应的结构分析结果为初始条件，将子模型2的热分析计算结果依据沉积过程随时间逐步施加于全尺寸模型上子模型2对应的同一位置，进行子模型2对应的结构分析计算；依次类推，至子模型k，至子模型n，全尺寸模型上子模型n对应的结构分析以子模型n-1对应的结构分析结果为初始条件，并将子模型n的热分析计算结果依据沉积过程随时间逐步施加于全尺寸模型上子模型n对应的同一位置，全尺寸模型上子模型n对应的结构分析计算结束后，全尺寸实体模型的结构分析计算结束。
[0018] 优选的，步骤(3)中，热分析计算的热源模型选用移动温度热源。
[0019] 优选的，步骤(3)中，子模型k的热分析过程为相比子模型k-1增加m层沉积区的加热过程。
[0020] 优选的，步骤(3)中采用热力间接耦合的方法来获得沉积过程的应力变形情况。
[0021] 优选的，步骤(3)中，子模型k中相比子模型k-1增加的m层沉积区在子模型k的热分析计算前为死区。
[0022] 优选的，目标成型构件的电弧增材方法包括熔化极惰性气体保护焊、非熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊和冷金属过渡焊。
[0023] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0024] 本发明公开了一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，该方法相对于现有的常规热/力间接耦合计算流程，将全尺寸模型进行了分割，采用“模型分割-迭代计算”的方法，计算前期参与的子模型中只包含了基板和当前m层沉积区的单元，剩余大量待沉积区的单元被排除在模型外，大大减少了“死”单元的数量，降低了计算前期大量沉积区“死”单元的负面作用，减少了计算量，提高了计算效率；本发明不同于常规的先进行热计算后进行结构分析的方法，使得热力间接耦合计算具有了“并行计算”的特征，结构分析不必等到热分析全部结束，当第一个子模型的热分析结束后即可将其温度场加载于全尺寸结构模型中计算，在整个热-力间接耦合计算过程中热分析计算和结构分析计算几乎同时进行，最大程度保证较高的热力间接耦合计算效率，使得计算效率进一步提升，热分析计算所用时间可减少至原来的50％。
[0025] 进一步的，根据全尺寸实体模型的结构特征和目标成型构件的成形方法确定全尺寸实体模型划分的网格数量，使得建立的模型能够适用于不同形状的结构件。
[0026] 进一步的，任意一个子模型进行热分析计算时，该子模型后的沉积层均被排除在该子模型外，提高了热分析的计算效率。
[0027] 进一步的，本发明的目标成型构件能够通过常规的
电弧焊方法制造，因此该模型适用于任何电弧增材制造构建的方式，适用范围广。【
附图说明】
[0028] 图1为本发明中“模型分割-迭代计算”流程示意图；
[0029] 图2为本发明中分别采用“模型分割-迭代计算”流程与常规流程完成热力间接耦合计算对应的时间顺序甘特图；
[0030] 图3为本发明中
实施例的模型分割结果；
[0031] 图4为实施例采用本发明中的流程与常规流程热分析计算用时对比图。【具体实施方式】
[0032] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述：
[0033] 参见图1，本发明公开了一种提高电弧增材构件热力分析有限元数值计算效率方法，该方法具体包括以下步骤：
[0034] (1)根据大型电弧增材目标成形构件的结构设计图，建立沉积件和基板的全尺寸实体模型，通过网格划分对其进行离散化处理，得到划分网格后的全尺寸实体模型，网格划分需尽可能匹配目标成型件的结构特征和成形过程，结构特征主要为结构和尺寸，成型过程包括沉积路径和工艺参数；划分的网格共有l层，l为≥1的自然数；电弧增材成型构件的电弧类型包括熔化极惰性气体保护焊、非熔化极惰性气体保护焊、等离子弧焊和冷金属过渡焊等，因此该模型适用于任何电弧增材制造构建的方式，适用范围广；
[0035] (2)根据结构特征和成形工艺分割上述构建的全尺寸模型，得到n个子模型，其中，子模型k为在子模型k-1上增加m层的沉积区，其中，1≤m＜l，1＜k≤n；m，n，k均为自然数；子模型n是在子模型n-1的
基础上增加m层的沉积区，本发明中，子模型k相比子模型k-1增加的高度约为实际
单层沉积焊道高度的5倍以内，即m优选为1≤m≤5，根据实际情况选择，更优选的，m＝1，即优选的方案为，全尺寸模型中分割网格的层数和建立的子模型的数量相等，l＝n；模型分割过程中，需保证n个子模型和全尺寸模型中同一空间位置处的节点编号完全一致。本发明适用的模型尺寸理论上可以达米量级，但不得小于300mm，否则该方法的有效性会降低。
[0036] (3)针对子模型1进行热分析计算，子模型1的热分析计算结束时，获得模型1的热分析计算结果即可将其作为温度载荷施加于全尺寸结构模型上，计算得到构件应力变形演变过程；结构分析开始的时间为子模型1热分析计算结束的时刻，可最大程度保证较高的热力间接耦合计算效率。
[0037] 与此同时子模型2开始热分析计算，子模型2热分析计算的初始条件为子模型1热分析计算的结果；
[0038] (4)进行结构分析同时进行热分析，结构分析的对象为全尺寸模型，施加的温度载荷来源于各个子模型的热分析计算结果，结构分析计算的开始时刻为子模型1的热分析计算结束，按照时间将子模型1～n的热分析计算结果以温度载荷施加于全尺寸模型上各个子模型对应的同一位置。具体过程为：
[0039] 子模型2的热分析结束时，子模型3开始进行热分析计算，以此类推至子模型k…至子模型n；子模型(k-1)的温度场计算结果将作为子模型k热分析的初始条件，子模型k的热分析仅针对相比子模型k-1增加的m层沉积区的逐步加热过程，子模型k中相比子模型k-1增加的m层沉积区在第一次被热源加热前处于“杀死”状态(即将其
刚度矩阵乘以一个很小的因子，缺省值为1.0E-6)，直至第一次加热而被“激活”)；每一个子模型依次进行热分析计算的同时，全尺寸模型的结构分析计算几乎同步进行，相差时间为子模型1的热分析计算时间；如子模型2对应的结构分析计算在全尺寸实体模型上进行，以子模型1对应的结构分析结果为初始条件，将子模型2的热分析计算结果依据沉积过程随时间逐步施加于全尺寸模型上子模型2对应的同一位置，进行子模型2对应的结构分析计算；当全尺寸模型上子模型2对应的结构分析计算结束后，子模型3在全尺寸模型上对应的结构分析以子模型2对应的结构分析结果为初始条件，并将子模型3的热分析计算结果依据沉积过程随时间逐步施加于全尺寸模型上子模型3对应的同一位置，进行全尺寸模型上子模型3对应的结构分析计算；全尺寸模型上子模型3对应的结构分析计算结束后，依次类推，全尺寸模型上子模型n对应的结构分析以子模型n-1对应的结构分析结果为初始条件，并将子模型n的热分析计算结果依据沉积过程随时间逐步施加于全尺寸模型上子模型n对应的同一位置，全尺寸模型上子模型n对应的结构分析计算结束后，全尺寸实体模型的结构分析计算结束。
[0040] 上述热分析计算的热源模型优选为移动温度热源；上述采用热力间接耦合的方法来获得沉积过程的应力变形情况，即将各子模型热分析得到的节点温度作为载荷施加在全尺寸模型对应位置进行结构分析中来实现热力耦合计算。
[0041] 上述步骤中的热分析计算中的热源模型为移动温度热源。
[0042] 参见图2为分别采用本发明中的“模型分割-迭代计算”流程与常规流程完成热力间接耦合计算对应的时间顺序甘特图，从图中可以对比的看出常规流程进行有限元计算时，为先进行热分析，后进行结构分析；而本
申请为采用“模型分割-迭代计算“的新流程，使得热分析和结构分析在现实时间中几乎同时进行，新流程时结构分析可在子模型1热分析结束时即开始，具有了热力间接耦合“并行”计算的特征，显著提高热力间接耦合计算总用时，热分析计算所用时间可减少至原来的50％。
[0043] 实施例
[0044] 图3所示为大尺寸
铝合金薄壁构件，沿轴向高度达到1200mm，中部圆柱区壁厚1/2处直径为1000mm。采用CMT电弧熔丝增材沉积成形，单道沉积焊道宽度约为7.5mm，单层厚度在3mm左右。在网格划分时，为了减少网格数量，沉积区最小单元尺寸约为7.5mm。沉积区和基板共计48284个单元，78984个节点，其
中底部方形基板单元数为6720个，节点数9000个，节点数约占总体的11.4％。
[0045] 基于结构特征和成形工艺合并沉积层，设置沉积层数为95，每层设置1个热分析载荷步，分别采用常规方法和“模型分割-迭代计算”新方法完成三维瞬态热分析计算，除计算流程有差异外，其他诸如材料热物属性、边界条件、热源加载参数均保持一致。其中边界条件包括热分析边界条件和结构分析边界条件，热分析时在模型所有外表面考虑
对流换热和
辐射，结构分析则考虑打印过程中
支撑、夹具的约束效果并防止模型发生不必要的刚性漂移和旋转。此外，电弧熔丝沉积开始前模型初始温度为室温(298.15K)。采用移动温度热源来模拟电弧的移动，并通过预置沉积区单元和生死单元技术来实现
焊丝材料的逐步熔敷。
[0046] 图4展示了随着沉积层数的增加，两种方法计算用时的变化曲线。从图4可知采用新方法时由于前期单元数量极少，计算效率非常高(时间-层数曲线的斜率)，随着单元数量的增大，计算速度不断减小，在接近计算结束时计算速度与常规方法一致。而常规计算方法中单元总数一致，故其计算速度前后差异很小，基本保持恒定。最终采用新方法完成该模型的热分析计算总用时约为3.46h，而常规方法需要7.38h，共节约了约53.1％，即验证了“模型分割-迭代计算”新流程对计算效率的显著提升。
[0047] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
