搜索基于ANSYS的激光清洗模具表面温度场有限元分析
2013-06-04 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线
激光清洗是一种新型的工业清洗技术,它利用激光能量将模具表面的污垢去除。达到绿色清洗的目的。文章利用ANSYS软件模拟了激光清洗模具过程中模具表面的温度变化,在分析过程中采用二维单元,并考虑了材料的热物性随温度的变化,建立了有限元模型,得出了模具表面节点的温度分布,以及激光功率和扫描速度对温度场的影响,这对进行激光清洗模具技术的机理研究具有很大的帮助。
作者: 周桂莲*孔令兵*孙海迎 来源: 万方数据
关键字: 激光加工 激光清洗 有限元分析 温度场 ANSYS
0 前言
在我们的日常生活中有许多橡塑制品,这些制品大多是通过各种模具加工而成的,而这些模具往往在生产过程中遭到污染和腐蚀,从而对生产造成影响,所以必须对模具进行清洗,从而保证橡塑制品的质量。
经过长期的探索与实践,人们积累了许多清洗模具的方法。最初是使用高温碱水进行浸泡的方法进行模具的清洗,随后又产生了喷砂法、化学清洗法、干冰法和高压水清洗法,但是都不能从根本上达到清洗模具的目的,不能满足社会的需求。因此,人们把目光投向了一种新型的清洗技术——激光清洗模具技术。激光清洗技术是指采用高能激光束照射工件表面,使表面的颗粒、锈迹和涂层等发生瞬间蒸发与剥离,从而达到洁净的工艺过程。
激光清洗模具时将激光能量照射到模具表面,这会引起模具表面的温度变化,这种温度变化对是否能够有效地去除模具表面的污染物以及模具表面是否会损害起着至关重要的作用,因此查看模具表面温度的变化情况是进行激光清洗模具机理分析的前提。
随着计算机技术的发展,以及大型通用有限元软件在材料热物性、辐射、对流换热等因素的处理方面的成熟和完善,数值模拟技术用于激光清洗模具表面的温度场的计算越来越显示出其优越性,本文正是在此基础上利用ANSYS有限元软件,建立了激光清洗模具表面瞬态温度场有限元模型。
1 有限元模型的建立
对激光清洗模具表面温度场进行有限元分析可以分为4方面,确定热源模型、材料的热物性和落实边界条件、建立模型以及进行区域离散化求解。
1.1 热源模型的确定
在激光热源模型中,点热源和线热源都用于温度场解析解,但研究表明其计算结果与实际结果有较大的误差,而高斯面热源分布是一种比点状热源和线状热源更切实际的热源分布函数,本文中采用近高斯分布的面热源形式,其热流分布函数为:
式中,A为材料对激光的吸收系数,P为激光功率,R为光斑半径,r为考察点到光斑中心的距离。
在激光清洗模具表面的过程中,激光能量以热流密度的形式加载到模具表面,并以一定的速度移动,因此利用ANSYS参数化设计语言建立载荷的矩阵表格将空间域离散到时间域上,在不同时刻不同位置提供相应的热源载荷输入,并设定一定的时问步长,这样就可以模拟出模具表面的温度场。
1.2 热物性参数的确定
模具一般都是由45钢或碳钢制造的,这里以45钢为例。对于45钢,其密度与温度变化关系不是很大,按常数处理,对最后的结果影响并不大。这里,由手册查得45钢的密度7833 kg/m3。对比热容、热导率等这些温度影响较大的热物性参数,必须根据表1数据进行输入,以确保计算结果的准确性。
由手册查得45钢的比热容、热导率与温度的关系如表1所示。
图1 划分网格后的模具表面
本文取环境温度为20℃,空气的自然热对流换热系数为12.5W/(m2·℃)。
1.3 模型的建立与网格划分
对于激光清洗模具的温度场分析来说,由于我们主要是看模具表面的温度分布,因此选用2D场来分析,这样可以大大简化计算的过程。模具表面对角顶点坐标分别为(-0.045,-0.03)和(0.045,0.03)。对模具表面进行网格划分后,假设激光是沿着模具的中部清洗模具表面,所以对模具中间的网格进行细化,划分后模具表面如图1所示。
1.4 温度场热边界条件的处理
根据传热学理论,无内热源非稳态二维热传导温度场的微分方程为:
边界条件设定:
式中:ρ、c、λ分别为材料的密度、比热、导热系数;T、Tf分别为瞬态温度、介质温度;Q为单位体积内热生成率,h为物体表面放热系数; Γ、n分别为固体边界及其外法线;t为时间。
2 模拟结果及讨论
2.1 节点温度分布分析
图2主要反映了激光功率在50W、扫描速度在3.5mm/s时,不同时刻的模具表面的节点温度分布,其中图2(a)中,t=2s,图2(b)中,t=6s,图2(c)中,t=10s,图2(d)中,t=14s,图2(e)中,t=20s,图2(f)中,t=26s。可以看出,随着移动的激光热源以一定的速度加载到模具表面,模具表面的温度分布也随着激光热源的移动而变化,呈现一个拖着尾巴的彗星状,并且随着激光扫描的进行,热影响区范围越来越大,温度场的动态特性越来越明显,在激光照射的前端温度梯度较大,尾部的温度梯度比较小,这是由于激光热源的快速移动造成的。
表1 45钢的比热容、热导率与温度的关系
图2 不同时刻的节点温度分布模具表面节点温度变化分析
2.2 模具表面节点温度变化分析
图3主要反映了模具表面的3个点在激光热源移动的过程中的温度变化,其中激光功率为50W、扫描速度为3.5mm/s。3个点的坐标分别是(-0.021,0)、(-0.014,0)、(-0.007,0),时间变化范围为0-40s。从图中可以看出,当激光热源经过该点时,该点温度由低温迅速升高,当激光束移出该点时,温度迅速下降,表现出典型的急热急冷现象。
图3 试样表面节点温度的变化
2.3 激光功率对温度场的影响
图4主要反映了激光功率密度对温度场的影响,输入功率分别为30W、40W和50W,扫描速度为3.5mm/s的条件下,试样表面定点(0,0)的温度变化曲线。从图中可以看出,在相同的移动速度和光斑直径的情况下,试样表面的温度随着功率的升高而增大,这是因为功率的大小影响着单位时间内作用于模具表面单位面积的能量的多少。功率大,在单位时间内辐射到试样表面单位面积内的激光能量越多,因此温度也就越高。
图4 试验表面定点在不同功率时的温度变化曲线
2.4 扫描速度对温度场的影响
图5主要反映了激光功率为50W,扫描速度分别为3mm/s、4mm/s、6mm/s的条件下,试验表面定点(0.014,0)的温度-时间热循环曲线。从图中可以看出,试样表面定点的最高温度随着运动速度的加快而减小,主要原因就是运动速度影响着激光能量作用于模具表面的时间,运动速度快时,激光能量作用于模具表面的时间就短,模具表面吸收的激光能量就少,升高的温度也就越低,而速度慢时,作用时间就长,温度自然也就越高。
图5 试样表面定点在不同扫描速度下的温度变化曲线
3 小结
在激光清洗模具表面温度场的分析中,综合考虑了热传导、辐射、对流及模具材料的热物性随温度变化的影响,采用了近高斯分布的热源形式,建立二维瞬态温度场有限元分析模型。该模型较为准确地反映了激光清洗模具时模具表面的温度场分布,通过查看模具表面的温度场分布,尤其是模具表面的最高温度,为我们进行激光清洗模具的机理研究提供了依据,具有重要的意义。
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