基于MSC.Marc的船體薄板脈沖激光切割有限元模擬

黃震宇， 邱宇舟

(中船第九設計研究院工程有限公司， 上海200063)

0 引 言

在船舶建造過程中，切割是一道極為重要的工序，切割質量的高低將直接影響后續(xù)整體焊接工程[1]。傳統(tǒng)的鋼板切割方式主要有火焰切割、水切割、線切割、等離子切割等，而在現(xiàn)代加工制造技術中，激光切割是應用最為廣泛的激光加工技術。激光切割具有切割快速、縫隙窄、熱影響區(qū)小、切割整齊、耗材少、噪聲低等優(yōu)勢[2]。根據(jù)其具體切割方式又分為熔化切割、氧化熔化切割和氣化切割等3種形式[3]。

針對AH36薄板脈沖激光熔化切割工藝，采用非線性有限元軟件MSC.Marc建立AH36薄板脈沖激光切割有限元模型，并利用Fortran對MSC.Marc進行二次開發(fā)，編寫脈沖激光熱源函數(shù)程序。模型可模擬不同參數(shù)下AH36薄板的切割過程。選擇激光離焦量、功率、切割速度、頻率與脈沖寬度等參數(shù)進行計算，根據(jù)計算結果分析比較這些參數(shù)對激光切割溫度歷程和切割邊緣殘余變形量的影響。

1 有限元建模

1.1 有限元模型

采用MSC.Marc建立AH36薄板脈沖激光切割有限元模型，如圖1所示。由于結構具有對稱性，因此可以取一半結構建模以減少計算量。有限元模型的幾何尺寸為100 mm×100 mm×5 mm。為進一步減少計算量、提高計算效率，在進行網(wǎng)格劃分時采用疏密網(wǎng)格過渡，即在靠近切割區(qū)域處采用尺寸較小的密集網(wǎng)格，遠離切割處采用尺寸較大的稀疏網(wǎng)格，在疏密網(wǎng)格交界處進行網(wǎng)格過渡。板厚為5 mm，沿板厚方向均分為5層有限元單元，切割區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為2.0 mm×2.5 mm×1.0 mm，遠離切割處的網(wǎng)格尺寸為4.0 mm×5.0 mm×1.0 mm。

有限元模型一共有4 200個單元、5 406個節(jié)點。選擇六面體單元作為AH36薄板激光切割有限元模型的單元類型。計算時假設材料為各向同性材料。

圖1 有限元模型

1.2 熱源模型

為了模擬激光切割時試件表面和厚度方向的熱量傳導，選擇面熱源和體熱源的組合模型。其中，面熱源用來模擬切割熱源在鋼板表面的熱量傳遞，體熱源用來模擬切割熱源在切割厚度方向的熱量傳遞。

在AH36薄板脈沖激光切割熱源模型中，將脈沖熱源等效為連續(xù)功率激光焊接熱源與脈沖函數(shù)相乘的形式，并采用編程語言Fortran進行二次開發(fā)。脈沖函數(shù)可根據(jù)實際情況進行編寫，連續(xù)激光熱源模型則采用高斯面熱源與高斯旋轉體熱源的組合形式，如圖2所示。

圖2 激光切割熱源模型

面熱源熱流分布公式[4]為

(1)

式中：qS(x,y)為某點(x,y)的面熱源功率密度，x、y為坐標系內的x、y坐標值；α為熱流集中因數(shù)；QS為面熱源功率；rS為面熱源有效作用半徑。

體熱源熱流分布公式[4]為

(2)

式中：qV(x,y,z)為某點(x,y,z)的體熱源功率密度，x、y、z為坐標系內的x、y、z坐標值；β為衰減系數(shù)；QV為體熱源功率；rV為體熱源有效作用半徑；H為體熱源有效作用深度。

激光熱源總功率為

Qη=QS+QV

(3)

式中：Q為熱源總功率；η為熱源有效吸收因數(shù)。

熱源模型相關參數(shù)的設置為α=0.3，η=0.9，rS=1.3 mm，β=0.15，rV=0.5 mm，H=3.5 mm，Q的數(shù)值則根據(jù)實際切割功率情況進行選擇。

1.3 材料參數(shù)及切割參數(shù)

AH36鋼常溫下主要物理性能如表1所示。

表1 AH36鋼常溫物理性能

選擇有限元模擬的切割參數(shù)如表2所示。

表2 激光切割工藝參數(shù)

2 邊界條件及求解設置

2.1 熱邊界條件

在AH36薄板激光切割過程中，除了之前提到的切割熱源邊界條件外，還需考慮的熱邊界條件主要有兩個：初始溫度條件、散熱邊界條件。

(1)初始溫度條件：有限元模型初始溫度設置為室溫20 ℃。

(2)散熱邊界條件：由于切割構件的邊界與周圍環(huán)境存在溫差，因而會發(fā)生換熱。為了計算方便，選取總換熱系數(shù)，將對流和輻射邊界條件進行簡化處理。設置AH36鋼與空氣之間的總換熱系數(shù)為40 W/(m2·K)，選擇的散熱面為所有外表面，如圖3所示。

圖3 散熱邊界條件

2.2 位移邊界條件

將AH36薄板激光切割有限元模型邊界條件設置為自由放置約束條件，其x、y、z等3個方向的約束如圖4所示。在x方向上，選擇對稱面上的所有節(jié)點，表示對稱面上的節(jié)點不能沿x方向移動；在y方向上，選擇如圖所示的節(jié)點Y(有限元模型中節(jié)點編號為21)；在z方向上，選擇如圖所示的2個節(jié)點Z1(有限元模型中節(jié)點編號為451)和Z2(有限元模型中節(jié)點編號為491)。

圖4 x,y,z方向約束

2.3 切割加載求解設置

AH36薄板激光切割過程可分解為切割工況和冷卻工況兩個工況進行處理。在切割工況中，將切割熱源開始的位置設為切割時間的零點，即切割時刻為0時，切割熱源位于切割路徑的起始端。由于計算求解時，激光脈沖波形的脈沖寬度精確到毫秒量級，因此也須對切割工況采用較小的時間載荷步進行加載，每個載荷步作用時間設置為2.5 ms。切割過程結束后需要進行焊后冷卻，將冷卻過程定義為空氣冷卻，冷卻時間設置為5 000 s，將步長設置為自動時間步長。

3 計算結果分析

建立AH36薄板脈沖激光切割的有限元模型后，經(jīng)計算可得到整個切割及冷卻過程的溫度場。參考節(jié)點位置如圖5所示，其中節(jié)點A和D在AH36薄板y方向中點左右兩端，節(jié)點C位于A正下方的板底端，B為A與C之間靠近中點處的位置。

在圖5中沿工件厚度方向的節(jié)點A、B和C在9～13 s內的溫度歷程如圖6所示。3個節(jié)點溫度曲線的總體變化趨勢為先升高后下降，中間經(jīng)歷多次波動，形狀為鋸齒形，這是由脈沖的周期性作用引起的。在脈沖作用階段，由于激光的能量輸入，節(jié)點溫度迅速升高；在脈沖間歇階段，由于缺少激光能量輸入，節(jié)點溫度又迅速下降。由此可見，節(jié)點的溫度變化符合實際激光切割時工件快速加熱與快速冷卻的特點。

圖5 參考節(jié)點

圖6 3個節(jié)點溫度歷程

節(jié)點A達到峰值溫度4 101.92 ℃的時刻為10.202 5 s，此時鋼板切割的溫度云圖如圖7所示。節(jié)點A、B和C各溫度曲線總體呈先升高后下降的趨勢，隨著厚度的增加，節(jié)點溫度逐漸降低，最高溫度由A點的4 101.92 ℃下降至B點的2 416.70 ℃，再降低至C點的1 166.96 ℃。此外，隨著厚度增加，溫度波動幅度迅速減小，這是由于激光能量被節(jié)點A吸收后，通過熱傳導作用向節(jié)點B、C傳遞時損失了一部分，使B、C的溫度變化受脈沖的影響相對較小。

圖7 溫度場云圖

各切割工藝參數(shù)如表2所示，各工況下參考點A最高切割溫度和z向切割殘余邊緣變形量如表3所示。以節(jié)點A為參考節(jié)點，分析比較激光離焦量、功率、切割速度、頻率與脈沖寬度對激光切割溫度歷程的影響；以節(jié)點A→D為參考路徑，分析比較上述參數(shù)對z向切割殘余邊緣變形量的影響。如圖8～圖17所示。

表3 計算結果

3.1 離焦量

由圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn)，離焦量對切割溫度歷程和切割殘余邊緣變形量影響相對較小，不同離焦量下溫度歷程和切割殘余邊緣變形量差別不大。

圖8 離焦量對切割溫度歷程影響

圖9 離焦量對切割殘余邊緣變形量影響

3.2 功率

由圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，功率對切割溫度歷程和切割殘余邊緣變形量影響較大。在一定范圍內，功率越高，溫度越高，變形量越小。

圖10 功率對切割溫度歷程影響

圖11 功率對切割殘余邊緣變形量影響

3.3 切割速度

由圖12和圖13可以發(fā)現(xiàn)，切割速度對切割溫度歷程和切割殘余邊緣變形量影響較大。在一定范圍內，切割速度越大，溫度越低，切割殘余邊緣變形量越大。

圖12 切割速度對切割溫度歷程影響

圖13 切割速度對切割殘余邊緣變形量影響

3.4 頻率

由圖14和圖15可以發(fā)現(xiàn)，頻率對切割溫度歷程和切割殘余邊緣變形量影響較大。在一定范圍內，頻率越高，溫度越高，切割殘余邊緣變形量越小。

圖14 頻率對切割溫度歷程影響

圖15 頻率對切割殘余邊緣變形量影響

3.5 脈沖寬度

由圖16和圖17可以發(fā)現(xiàn)，脈沖寬度對切割溫度歷程和切割殘余邊緣變形量影響較大。在一定范圍內，脈沖寬度越大，溫度越高，切割殘余邊緣變形量越小。

圖16 脈沖寬度對切割溫度歷程影響

圖17 脈沖寬度對切割殘余邊緣變形量影響

4 結 論

采用非線性有限元分析軟件MSC.Marc建立脈沖激光切割有限元模型，對不同參數(shù)下AH36薄板脈沖激光切割進行三維實時動態(tài)數(shù)值模擬。

根據(jù)計算結果，離焦量對切割溫度歷程和切割殘余邊緣變形量影響相對較小，功率、切割速度、頻率、脈沖寬度對切割溫度歷程和切割殘余邊緣變形量影響相對較大。在一定范圍內，隨著功率、頻率、脈沖寬度增大和切割速度降低，切割過程中溫度升高，切割殘余邊緣變形量減小。

在本文模擬的脈沖激光切割參數(shù)中，當離焦量為0 mm、切割速度為300 mm/min、功率為4 kW、頻率為50 Hz、脈沖寬度為5 ms時，z向切割殘余邊緣變形量最小為0.047 5 mm。