激光熔覆数值模拟/COMSOL仿真/双椭球热源 采用双椭球热源模型,考虑材料热物性参数、相变、马兰戈尼效应、布辛涅斯克近似等,动网格模拟熔覆层,计算瞬态温度场和流场。
先说说这双椭球热源模型,乍一听挺唬人,其实就是两个椭球体热源前后拼接。用COMSOL建模时,老司机们通常会在"热源属性"里这么敲代码:
// 前半球热流密度 q_front = (6*sqrt(3)*P)/(a*b*c*pi^(3/2)) * exp(-3*(x^2/a^2 + y^2/b^2 + z^2/c^2)); // 后半球参数调整 a_back = 1.5*a; // 后向熔池拉长 q_back = (6*sqrt(3)*P)/(a_back*b*c*pi^(3/2)) * exp(-3*(x^2/a_back^2 + y^2/b^2 + z^2/c^2));注意看那个a_back参数,这货控制着熔池后拖的"尾巴"长度。实际调试时别死磕理论值,我一般会先设个1.2-2倍的前向轴长,边跑仿真边观察熔池形状,跟实验结果比对着调。
材料参数这块容易翻车,特别是相变潜热处理。有个骚操作是在"材料属性"里用阶跃函数平滑过渡:
if(T < T_solidus, 0, if(T > T_liquidus, 1, (T - T_solidus)/(T_liquidus - T_solidus)))配上非线性材料属性表,能有效避免计算发散。记得把导热系数、比热容这些参数分段设置,液态和固态区差别能差出一个数量级。
动网格这块更刺激,建议先用"变形几何"模块试水。设置移动边界时,别傻乎乎地让整个模型动,找准熔覆层区域的几个关键边界施加位移约束。见过有人网格畸变到亲妈都不认识,最后发现是约束点选少了。
马兰戈尼效应的处理有讲究,在"层流"接口里加个表面张力项:
F_marangoni = d(sigma,T)*gradT_tangent // σ是表面张力系数这里gradT_tangent要取温度梯度在表面的切向分量,新手容易直接上全梯度,结果流场直接抽风。布辛涅斯克近似倒是省事,勾选"体积力"里的浮力选项,记得参考温度要设熔池中心温度。
最后说个血泪教训:时间步长别抠搜的!激光扫描这种瞬态问题,初始阶段建议用0.001秒量级的时间步。见过有人为了省时间设0.1秒步长,结果熔池直接窜出二里地,那画面太美不敢看。
仿真跑完了别急着收工,拿熔池长宽比、凝固线角度这些特征参数和高速摄像结果对比。数值模拟这玩意,参数调得再溜,不跟实验对标都是耍流氓。