搜索基于ANSYS的激光清洗模具表面溫度場有限元分析
2013-06-04 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
激光清洗是一種新型的工業清洗技術,它利用激光能量將模具表面的污垢去除。達到綠色清洗的目的。文章利用ANSYS軟件模擬了激光清洗模具過程中模具表面的溫度變化,在分析過程中采用二維單元,并考慮了材料的熱物性隨溫度的變化,建立了有限元模型,得出了模具表面節點的溫度分布,以及激光功率和掃描速度對溫度場的影響,這對進行激光清洗模具技術的機理研究具有很大的幫助。
作者: 周桂蓮*孔令兵*孫海迎 來源: 萬方數據
關鍵字: 激光加工 激光清洗 有限元分析 溫度場 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各種模具加工而成的,而這些模具往往在生產過程中遭到污染和腐蝕,從而對生產造成影響,所以必須對模具進行清洗,從而保證橡塑制品的質量。
經過長期的探索與實踐,人們積累了許多清洗模具的方法。最初是使用高溫堿水進行浸泡的方法進行模具的清洗,隨后又產生了噴砂法、化學清洗法、干冰法和高壓水清洗法,但是都不能從根本上達到清洗模具的目的,不能滿足社會的需求。因此,人們把目光投向了一種新型的清洗技術——激光清洗模具技術。激光清洗技術是指采用高能激光束照射工件表面,使表面的顆粒、銹跡和涂層等發生瞬間蒸發與剝離,從而達到潔凈的工藝過程。
激光清洗模具時將激光能量照射到模具表面,這會引起模具表面的溫度變化,這種溫度變化對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損害起著至關重要的作用,因此查看模具表面溫度的變化情況是進行激光清洗模具機理分析的前提。
隨著計算機技術的發展,以及大型通用有限元軟件在材料熱物性、輻射、對流換熱等因素的處理方面的成熟和完善,數值模擬技術用于激光清洗模具表面的溫度場的計算越來越顯示出其優越性,本文正是在此基礎上利用ANSYS有限元軟件,建立了激光清洗模具表面瞬態溫度場有限元模型。
1 有限元模型的建立
對激光清洗模具表面溫度場進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邊界條件、建立模型以及進行區域離散化求解。
1.1 熱源模型的確定
在激光熱源模型中,點熱源和線熱源都用于溫度場解析解,但研究表明其計算結果與實際結果有較大的誤差,而高斯面熱源分布是一種比點狀熱源和線狀熱源更切實際的熱源分布函數,本文中采用近高斯分布的面熱源形式,其熱流分布函數為:
式中,A為材料對激光的吸收系數,P為激光功率,R為光斑半徑,r為考察點到光斑中心的距離。
在激光清洗模具表面的過程中,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,因此利用ANSYS參數化設計語言建立載荷的矩陣表格將空間域離散到時間域上,在不同時刻不同位置提供相應的熱源載荷輸入,并設定一定的時問步長,這樣就可以模擬出模具表面的溫度場。
1.2 熱物性參數的確定
模具一般都是由45鋼或碳鋼制造的,這里以45鋼為例。對于45鋼,其密度與溫度變化關系不是很大,按常數處理,對最后的結果影響并不大。這里,由手冊查得45鋼的密度7833 kg/m3。對比熱容、熱導率等這些溫度影響較大的熱物性參數,必須根據表1數據進行輸入,以確保計算結果的準確性。
由手冊查得45鋼的比熱容、熱導率與溫度的關系如表1所示。
圖1 劃分網格后的模具表面
本文取環境溫度為20℃,空氣的自然熱對流換熱系數為12.5W/(m2·℃)。
1.3 模型的建立與網格劃分
對于激光清洗模具的溫度場分析來說,由于我們主要是看模具表面的溫度分布,因此選用2D場來分析,這樣可以大大簡化計算的過程。模具表面對角頂點坐標分別為(-0.045,-0.03)和(0.045,0.03)。對模具表面進行網格劃分后,假設激光是沿著模具的中部清洗模具表面,所以對模具中間的網格進行細化,劃分后模具表面如圖1所示。
1.4 溫度場熱邊界條件的處理
根據傳熱學理論,無內熱源非穩態二維熱傳導溫度場的微分方程為:
邊界條件設定:
式中:ρ、c、λ分別為材料的密度、比熱、導熱系數;T、Tf分別為瞬態溫度、介質溫度;Q為單位體積內熱生成率,h為物體表面放熱系數; Γ、n分別為固體邊界及其外法線;t為時間。
2 模擬結果及討論
2.1 節點溫度分布分析
圖2主要反映了激光功率在50W、掃描速度在3.5mm/s時,不同時刻的模具表面的節點溫度分布,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。可以看出,隨著移動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而變化,呈現一個拖著尾巴的彗星狀,并且隨著激光掃描的進行,熱影響區范圍越來越大,溫度場的動態特性越來越明顯,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造成的。
表1 45鋼的比熱容、熱導率與溫度的關系
圖2 不同時刻的節點溫度分布模具表面節點溫度變化分析
2.2 模具表面節點溫度變化分析
圖3主要反映了模具表面的3個點在激光熱源移動的過程中的溫度變化,其中激光功率為50W、掃描速度為3.5mm/s。3個點的坐標分別是(-0.021,0)、(-0.014,0)、(-0.007,0),時間變化范圍為0-40s。從圖中可以看出,當激光熱源經過該點時,該點溫度由低溫迅速升高,當激光束移出該點時,溫度迅速下降,表現出典型的急熱急冷現象。
圖3 試樣表面節點溫度的變化
2.3 激光功率對溫度場的影響
圖4主要反映了激光功率密度對溫度場的影響,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(0,0)的溫度變化曲線。從圖中可以看出,在相同的移動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,這是因為功率的大小影響著單位時間內作用于模具表面單位面積的能量的多少。功率大,在單位時間內輻射到試樣表面單位面積內的激光能量越多,因此溫度也就越高。
圖4 試驗表面定點在不同功率時的溫度變化曲線
2.4 掃描速度對溫度場的影響
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,試驗表面定點(0.014,0)的溫度-時間熱循環曲線。從圖中可以看出,試樣表面定點的最高溫度隨著運動速度的加快而減小,主要原因就是運動速度影響著激光能量作用于模具表面的時間,運動速度快時,激光能量作用于模具表面的時間就短,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,作用時間就長,溫度自然也就越高。
圖5 試樣表面定點在不同掃描速度下的溫度變化曲線
3 小結
在激光清洗模具表面溫度場的分析中,綜合考慮了熱傳導、輻射、對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,建立二維瞬態溫度場有限元分析模型。該模型較為準確地反映了激光清洗模具時模具表面的溫度場分布,通過查看模具表面的溫度場分布,尤其是模具表面的最高溫度,為我們進行激光清洗模具的機理研究提供了依據,具有重要的意義。
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