[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

摘要

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。

主权项

1.一种基于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；步骤3，建立模型和网格单元划分：建立与实际钢板尺寸一致的几何模型；划分的网格单元包括热‑力耦合体网格单元和用于施加表面预热火焰热流的表面效应单元；步骤4，设置求解分析类型、方法和求解器：求解分析类型设置为瞬态热‑结构分析，激活大变形结构分析，求解方法设置为完全牛顿法，求解器设置为稀疏直接求解器；步骤5，施加初始温度、热对流边界条件、结构约束：对钢板整体施加初始温度和在钢板表面施加表面综合热对流边界条件、对钢板的各个表面施加结构位移限定约束；步骤6，定义预热火焰热源模型：预热火焰热源采用高斯移动热源模型，其表达式如下式所示：q_(r)＝q₀*exp(‑3*r²/R₀)                   (1)其中，q_(r)为距离热源中心r处的热流密度，q₀为热流密度最大值，r为距热源中心的距离，R₀为热源半径；步骤7，热载荷的施加与循环求解：根据实际切割速度和切割长度，算出切割总时间T，然后将切割总时间划分为多个时间步ΔT，实现切割过程的离散化；之后在每一个时间步ΔT下，首先删除施加在钢铁板材模型上的火焰预热对流密度载荷和钢铁燃烧生成热热流率载荷，查找出钢板模型中温度在钢铁材料熔点以上的网格单元，然后将其杀死，实现该部位的切割；紧接着查找出钢板模型中温度在1000℃以上的没被杀死的网格单元，然后对这些单元施加燃烧反应热流率，实现预热高温钢铁部位与氧气的燃烧反应放热；与此同时在表面效应单元面SURF152上施加火焰预热热流密度，实现火焰预热的加热作用；之后进行该时间步的求解；反复循环求解，实现每一时间步ΔT内的热载荷施加与求解，直至切割过程结束，以实现火焰切割过程的动态化；步骤8，结果输出：进入后处理模式，根据实际需要进行结果的查看和输出，可查看和输出的结果包括温度、应力变化。