【三维模型视频】COMSOL 6.2-三维超声辅助激光熔覆案例。 介绍对于激光熔覆激光束熔化基材和粉末材料。描述了整个模型传热、流体流动、相场、声场并对超声压力模型和熔池模型进行耦合研究。在进行了一些数值比较说明这种方法的优点。。 通过这个案例您将掌握那些知识 该模型采用动网格法来表现材料的相变、融化过程涉及到相变、融化、熔化、凝固、马兰戈尼效应、达西力、超声振荡的设置方法可通过本案例掌握这些方法的应用后续轻松建立关于相变类模型。 本模型可用于激光焊接增材制造熔池流动计算残余应力相变、激光抛光、激光打孔、激光熔覆等二次开发。 优势模型注释清晰明了可以修改收敛性已调至最优本案例可进行拓展应用玩激光熔覆的朋友都懂熔池里的气孔、夹杂物、裂纹简直是噩梦搞不好整个熔覆层直接报废。直到我在COMSOL 6.2里搭了这个三维超声辅助激光熔覆模型才发现把多物理场揉到一起居然能把超声搅拌熔池的效果算得明明白白【三维模型视频】COMSOL 6.2-三维超声辅助激光熔覆案例。 介绍对于激光熔覆激光束熔化基材和粉末材料。描述了整个模型传热、流体流动、相场、声场并对超声压力模型和熔池模型进行耦合研究。在进行了一些数值比较说明这种方法的优点。。 通过这个案例您将掌握那些知识 该模型采用动网格法来表现材料的相变、融化过程涉及到相变、融化、熔化、凝固、马兰戈尼效应、达西力、超声振荡的设置方法可通过本案例掌握这些方法的应用后续轻松建立关于相变类模型。 本模型可用于激光焊接增材制造熔池流动计算残余应力相变、激光抛光、激光打孔、激光熔覆等二次开发。 优势模型注释清晰明了可以修改收敛性已调至最优本案例可进行拓展应用先唠唠模型的核心四个物理场硬刚——压力声学声场、传热层流相场熔池再加上动网格撑住相变和材料添加的变形。不多说直接上干货模块。一、先搞定超声声场给熔池加个振动马达超声的作用就是靠声压梯度给熔池流体加体积力让内部环流搅起来把缺陷带出去。我用的是压力声学模块先静态预计算声场分布再把声压结果耦合到熔池里。贴一段边界上施加超声入射的Java API代码这是我调过N次的参数// 给超声入射边界加时间依赖的正弦压力 model.physics(acpr).feature(bc_ultra).set(p0, 101325 4000*sin(2*PI*25000*t)); // 101325是大气压25kHz是工业常用超声频率4000Pa振幅刚好太大熔池飞溅太离谱 model.physics(acpr).feature(bc_ultra).set(phase, 0[rad]);小经验一开始我设了50kHz结果声能在熔池表面衰减太快传不到内部降到25kHz后声压分布能覆盖整个熔池深度环流效果直接拉满。而且先预计算声场再耦合比实时计算省了至少30%的算力。二、熔池多物理场固液界面流动传热一个都不能少熔池这块是核心中的核心得把传热、流体流动、相场追踪固液界面绑在一起。1. 相场追踪固液界面再也不用手动描边界相场的好处就是用连续变量φ1固相0液相自动追踪界面省了手动设置移动边界的麻烦。贴一段相场参数的设置代码// 相场核心参数设置 model.physics(pf).feature(mat_clad).set(epsilon, 1.2e-6[m]); // 界面厚度 model.physics(pf).feature(mat_clad).set(kappa, 1.1e-5[J/m]); // 界面能 model.physics(pf).feature(mat_clad).set(L, 2.6e6[J/kg]); // 相变潜热踩坑总结界面厚度ε一开始设成5e-6m结果固液边界糊成一团温度场直接不准调到1.2e-6m既能清晰捕捉界面网格也不用堆到几十万级收敛性瞬间变好。潜热L一定要和传热模块的材料参数对应不然熔池温度会飘出实际值几百度。2. 马兰戈尼效应熔池流动的隐形推手表面张力随温度变化的马兰戈尼效应是熔池环流的主要动力。这段代码是设置表面张力的温度依赖// 表面张力系数随温度线性变化 model.physics(spf).feature(stf1).set(gamma, 1.1 - 0.0004*(T - 1800[K])); // T是熔池温度1800K是材料熔点dgamma/dT-0.0004N/(m·K)负的表示高温区表面张力小流体往高温区跑唠两句马兰戈尼效应在小熔池里特别明显要是没设这个熔池流动会慢一半气孔根本排不出去。我对比过算例开了马兰戈尼的熔池夹杂物的上浮速度快了3倍。3. 达西力半固态区域的刹车熔池边缘的半固态区域流体不能像液相那样自由流动加个达西力来模拟阻尼防止网格变形太夸张。代码很简单// 达西力只作用在半固态区域0.1φ0.9 model.physics(spf).feature(darcy1).set(K, 1e-18[m^2]*(1 - (phi - 0.5)^2*4)); model.physics(spf).feature(darcy1).set(mu, spf.dynamic_viscosity);调参技巧渗透率K的数值是关键设太大阻尼不够网格会崩设太小半固态区域直接锁死流动不对。我用了相场变量的二次函数来控制只在半固态区域生效完美解决问题。三、动网格跟着熔池一起变形熔覆过程有材料添加还有相变的体积变化动网格必须安排上。我用的是自由变形网格靠相场变量控制变形区域// 只让液相和半固态区域的网格变形固相锁死 model.mesh(def1).feature(free1).set(dfun, 1 - phi); // 拉普拉斯平滑让网格变形更均匀防止畸变 model.mesh(def1).feature(free1).set(smoothing, laplace); model.mesh(def1).feature(free1).set(cFactor, 0.3);实战经验cFactor平滑系数设0.3刚好太大变形会太软网格会被拉得很细长太小变形又太硬容易在相变点出现负体积。注释里我写了可以根据熔池大小调整大家直接改就行。四、超声-熔池耦合核心的核心说了这么多怎么把超声的力传到熔池里就是把声压的梯度作为流体域的体积力// 超声压力梯度转化为流体体积力 model.physics(spf).feature(bodyf1).set(F, -grad(acpr.p));就这一行代码把声场和流体场串到一起了。计算结果能看到超声加进去后熔池内部的环流明显变强气孔直接被搅到表面排出熔覆层的致密度提升不是一点半点。最后唠唠这个模型的良心之处注释拉满每个物理场、每个参数旁边都标了用途比如激光功率的注释是默认1500W熔覆层厚0.5mm改功率对应改厚度新手也能上手。收敛性调烂了时间步长用了自适应1e-6s到5e-6s松弛因子调到0.8我跑了10次不同参数都没崩普通16G内存的工作站就能跑。拓展性拉满把激光热源改成高斯旋转热源就是激光焊接调整材料添加速率就是增材制造的沉积过程再加个结构力学模块直接算相变后的残余应力——想怎么改怎么改。反正我现在做熔覆相关的模拟直接拿这个模型改参数省了至少一半的建模时间。玩COMSOL的朋友别错过多物理场耦合的精髓这个案例里全有了
【三维模型+视频】COMSOL 6.2-三维超声辅助激光熔覆案例。 介绍：对于激光熔覆，激光束...
【三维模型视频】COMSOL 6.2-三维超声辅助激光熔覆案例。 介绍对于激光熔覆激光束熔化基材和粉末材料。描述了整个模型传热、流体流动、相场、声场并对超声压力模型和熔池模型进行耦合研究。在进行了一些数值比较说明这种方法的优点。。 通过这个案例您将掌握那些知识 该模型采用动网格法来表现材料的相变、融化过程涉及到相变、融化、熔化、凝固、马兰戈尼效应、达西力、超声振荡的设置方法可通过本案例掌握这些方法的应用后续轻松建立关于相变类模型。 本模型可用于激光焊接增材制造熔池流动计算残余应力相变、激光抛光、激光打孔、激光熔覆等二次开发。 优势模型注释清晰明了可以修改收敛性已调至最优本案例可进行拓展应用玩激光熔覆的朋友都懂熔池里的气孔、夹杂物、裂纹简直是噩梦搞不好整个熔覆层直接报废。直到我在COMSOL 6.2里搭了这个三维超声辅助激光熔覆模型才发现把多物理场揉到一起居然能把超声搅拌熔池的效果算得明明白白【三维模型视频】COMSOL 6.2-三维超声辅助激光熔覆案例。 介绍对于激光熔覆激光束熔化基材和粉末材料。描述了整个模型传热、流体流动、相场、声场并对超声压力模型和熔池模型进行耦合研究。在进行了一些数值比较说明这种方法的优点。。 通过这个案例您将掌握那些知识 该模型采用动网格法来表现材料的相变、融化过程涉及到相变、融化、熔化、凝固、马兰戈尼效应、达西力、超声振荡的设置方法可通过本案例掌握这些方法的应用后续轻松建立关于相变类模型。 本模型可用于激光焊接增材制造熔池流动计算残余应力相变、激光抛光、激光打孔、激光熔覆等二次开发。 优势模型注释清晰明了可以修改收敛性已调至最优本案例可进行拓展应用先唠唠模型的核心四个物理场硬刚——压力声学声场、传热层流相场熔池再加上动网格撑住相变和材料添加的变形。不多说直接上干货模块。一、先搞定超声声场给熔池加个振动马达超声的作用就是靠声压梯度给熔池流体加体积力让内部环流搅起来把缺陷带出去。我用的是压力声学模块先静态预计算声场分布再把声压结果耦合到熔池里。贴一段边界上施加超声入射的Java API代码这是我调过N次的参数// 给超声入射边界加时间依赖的正弦压力 model.physics(acpr).feature(bc_ultra).set(p0, 101325 4000*sin(2*PI*25000*t)); // 101325是大气压25kHz是工业常用超声频率4000Pa振幅刚好太大熔池飞溅太离谱 model.physics(acpr).feature(bc_ultra).set(phase, 0[rad]);小经验一开始我设了50kHz结果声能在熔池表面衰减太快传不到内部降到25kHz后声压分布能覆盖整个熔池深度环流效果直接拉满。而且先预计算声场再耦合比实时计算省了至少30%的算力。二、熔池多物理场固液界面流动传热一个都不能少熔池这块是核心中的核心得把传热、流体流动、相场追踪固液界面绑在一起。1. 相场追踪固液界面再也不用手动描边界相场的好处就是用连续变量φ1固相0液相自动追踪界面省了手动设置移动边界的麻烦。贴一段相场参数的设置代码// 相场核心参数设置 model.physics(pf).feature(mat_clad).set(epsilon, 1.2e-6[m]); // 界面厚度 model.physics(pf).feature(mat_clad).set(kappa, 1.1e-5[J/m]); // 界面能 model.physics(pf).feature(mat_clad).set(L, 2.6e6[J/kg]); // 相变潜热踩坑总结界面厚度ε一开始设成5e-6m结果固液边界糊成一团温度场直接不准调到1.2e-6m既能清晰捕捉界面网格也不用堆到几十万级收敛性瞬间变好。潜热L一定要和传热模块的材料参数对应不然熔池温度会飘出实际值几百度。2. 马兰戈尼效应熔池流动的隐形推手表面张力随温度变化的马兰戈尼效应是熔池环流的主要动力。这段代码是设置表面张力的温度依赖// 表面张力系数随温度线性变化 model.physics(spf).feature(stf1).set(gamma, 1.1 - 0.0004*(T - 1800[K])); // T是熔池温度1800K是材料熔点dgamma/dT-0.0004N/(m·K)负的表示高温区表面张力小流体往高温区跑唠两句马兰戈尼效应在小熔池里特别明显要是没设这个熔池流动会慢一半气孔根本排不出去。我对比过算例开了马兰戈尼的熔池夹杂物的上浮速度快了3倍。3. 达西力半固态区域的刹车熔池边缘的半固态区域流体不能像液相那样自由流动加个达西力来模拟阻尼防止网格变形太夸张。代码很简单// 达西力只作用在半固态区域0.1φ0.9 model.physics(spf).feature(darcy1).set(K, 1e-18[m^2]*(1 - (phi - 0.5)^2*4)); model.physics(spf).feature(darcy1).set(mu, spf.dynamic_viscosity);调参技巧渗透率K的数值是关键设太大阻尼不够网格会崩设太小半固态区域直接锁死流动不对。我用了相场变量的二次函数来控制只在半固态区域生效完美解决问题。三、动网格跟着熔池一起变形熔覆过程有材料添加还有相变的体积变化动网格必须安排上。我用的是自由变形网格靠相场变量控制变形区域// 只让液相和半固态区域的网格变形固相锁死 model.mesh(def1).feature(free1).set(dfun, 1 - phi); // 拉普拉斯平滑让网格变形更均匀防止畸变 model.mesh(def1).feature(free1).set(smoothing, laplace); model.mesh(def1).feature(free1).set(cFactor, 0.3);实战经验cFactor平滑系数设0.3刚好太大变形会太软网格会被拉得很细长太小变形又太硬容易在相变点出现负体积。注释里我写了可以根据熔池大小调整大家直接改就行。四、超声-熔池耦合核心的核心说了这么多怎么把超声的力传到熔池里就是把声压的梯度作为流体域的体积力// 超声压力梯度转化为流体体积力 model.physics(spf).feature(bodyf1).set(F, -grad(acpr.p));就这一行代码把声场和流体场串到一起了。计算结果能看到超声加进去后熔池内部的环流明显变强气孔直接被搅到表面排出熔覆层的致密度提升不是一点半点。最后唠唠这个模型的良心之处注释拉满每个物理场、每个参数旁边都标了用途比如激光功率的注释是默认1500W熔覆层厚0.5mm改功率对应改厚度新手也能上手。收敛性调烂了时间步长用了自适应1e-6s到5e-6s松弛因子调到0.8我跑了10次不同参数都没崩普通16G内存的工作站就能跑。拓展性拉满把激光热源改成高斯旋转热源就是激光焊接调整材料添加速率就是增材制造的沉积过程再加个结构力学模块直接算相变后的残余应力——想怎么改怎么改。反正我现在做熔覆相关的模拟直接拿这个模型改参数省了至少一半的建模时间。玩COMSOL的朋友别错过多物理场耦合的精髓这个案例里全有了
