[发明专利]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

说明书

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，本发明提出了“模型分割‑迭代计算”新流程，将大型构件的全尺寸模型按照结构特征和成形工艺分割为若干个子模型，子模型n‑1的热分析计算结果作为子模型n热分析的初始条件，依次迭代计算，降低了计算前期大量沉积区“死”单元的负面作用，同时热分析与结构分析在现实时间中几乎同时进行，全尺寸模型的结构分析可在子模型1热分析结束时即开始，使得热力间接耦合计算具有了“并行计算”的特征，计算效率显著提升。本发明可以广泛用于大尺寸电弧增材构件的热‑力场分布预测，对有限元数值计算在工程上的推广应用具有很好的促进作用。

【技术领域】

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】

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。

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。

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。

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】

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。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

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：

(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；

(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；