[发明专利]一种基于APDL语言的钢板火焰切割热-力耦合仿真分析方法

说明书

本发明公开了一种基于APDL语言的钢板火焰切割热‑力耦合仿真分析方法，属于金属材料切割过程仿真分析技术领域；具体包含以下步骤：一、定义单元类型和单元关键字；二、设置材料参数；三、建立模型和网格单元划分；四、设置求解分析类型、方法和求解器；五、施加初始温度、热对流边界条件、结构约束；六、定义预热火焰热源模型；七、热载荷的施加与循环求解；八、结果输出。本发明是采用APDL语言编写的，具有很强的可移植性和普遍灵活性；此外，本发明同时考虑了火焰预热热源和高温钢铁的燃烧反应热的影响，并且将温度和应力进行了耦合求解，非常动态逼真的反映了钢板的火焰切割过程以及在该切割过程中温度和应力的变化情况。

技术领域

本发明属于金属材料切割过程仿真分析技术领域，尤其涉及一种钢铁板材在火焰切割过程中温度和应力变化的仿真分析方法。

背景技术

在机械制造中或者其他需要用到钢铁板材的行业中，往往需要根据实际需求在大钢板上进行相应的切割，切割质量的好坏对钢铁板材的利用率、工件或者其他构件的生产效率和加工及使用质量有着重要的影响。目前，钢铁板材的切割方法主要有激光切割、等离子切割、机械切割和火焰切割四种类型，其中等离子切割和激光切割都具有切割速率快、切割变形小、切缝小、热影响区小等优点，但是这两种切割方法一是设备复杂、成本高、环境适用灵活性差，二是其允许的切割厚度范围较小，所以在非尖端工程领域中应用很少。机械切割是指采用剪、锯、铣等纯机械方式进行切割，这种切割方式虽然成本低，环境适用性较好，但是切割效率过低，尤其对于厚板材，其性价比是非常低的。而火焰切割是采用可燃性气体和过量氧气进行切割的方法，它的投入成本低、切割效率高，对于任何厚度的钢铁板材都能够适用，而且环境适用灵活性高，在任何场合(厂房内、山区野外等)都能够很方便的进行切割，因此在工程领域中，尤其是对于野外作业，火焰切割方式是切割钢铁板材的不二选择，由此它也得到了广泛的应用。

虽然火焰切割在钢板切割中受到广泛的青睐，但是它也存在一些不足，在实际应用中发现对于厚度值较大的钢铁板材，在进行火焰切割过程后，其切割面附近容易出现裂纹等质量缺陷。一般认为其裂纹等质量缺陷的产生与其在火焰切割过程中复杂的热量交换过程而导致的复杂的温度和应力激荡变化有巨大的关系，但是其具体影响机制尚不清晰。所以弄清楚钢板在火焰切割过程中的温度、应力变化及分布，对于进一步研究其对钢板裂纹产生的影响机制和提出相应的控制措施具有重要的实际意义。但是由于火焰切割是瞬态变化过程，所以很难采用试验的方式研究钢板在切割过程中的温度和应力变化，而目前随着计算机技术的发展，数值模拟技术为研究该过程提供了一种新的方式。但是，目前关于动态研究火焰切割过程的数值模拟仿真分析模型和方法鲜见有相关的介绍，且存在的也是采用类似焊接仿真模型的方式，然而火焰切割和焊接是有本质区别的，焊接没有高温红色态钢铁的燃烧反应过程，也没有预热火焰加热过程，所以采用类似焊接的仿真分析方法来研究火焰切割具有很大的缺陷性。

发明内容

为解决上述现有技术的缺陷和不足，在火焰切割仿真分析模型中同时考虑预热火焰和高温红热态钢铁(1000℃以上)的燃烧反应热的影响，且将切割过程中的温度和应力变化进行耦合分析，动态逼真的反应火焰切割过程，本发明提供了一种基于APDL语言的火焰切割热-力耦合仿真分析方法。

为实现上述目的，本发明提供的一种基于APDL语言的火焰切割热-力耦合仿真分析方法，通过以下技术方案实现：

一种基于APDL语言的钢板火焰切割热-力耦合仿真分析方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤1，定义单元类型和关键字：将体单元类型定义为热-力耦合单元SOLID226，将热-力耦合单元SOLID226第1条属性的关键字定义为11；将用于施加表面预热火焰热流的表面效应单元定义为SURF152表面单元，以及将表面效应单元SURF152第8条属性的关键字定义为1；

步骤2，设置材料参数：包括导热系数、密度、比热容、弹性模量、热膨胀系数、泊松比和屈服强度；