探索使用自定義工具對移動熱源進行建模及其在不同行業中的應用。

了解熱源動力學

對移動熱源進行建模為各種工業過程和應用提供了有價值的見解。激光加熱和材料加工使用許多激光束來加熱、焊接或切割材料。盡管在某些情況下，熱源 （q） 不是通常的高斯強度分布，但這是一般方程給出的眾所周知的方法：

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哪里

q?是所需表面上的熱通量 [W/m2]

c?是源功率強度 [W]

x、y?和?z?定義了熱通量中心的瞬時位置，該中心位于“路徑”上，距離“起點”[mm]的計算距離 （x = v.t）。請注意，v?是熱源的速度 [mm/s]，t?是時間 [s]。

下圖提供了定性表示，這次是 x、y：

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每種基于激光的材料加工方法都需要在指定的時間范圍內將精確的能量輸送到適當的位置，以保證有效的加工。加工過程中的熱歷史會顯著影響熔池動力學、殘余應力、微觀結構等因素，并最終影響加工零件的最終機械性能和尺寸精度。

鑒于試錯實驗的高成本，數學建模成為經濟地深入了解這些基于激光的過程的寶貴工具。?然而，建模允許探索不同的激光束配置和能量分布，由于每種變化都需要專門的激光設備，因此在實驗中測試這些配置和能量分布可能不切實際。

然后，建模可能有助于優化激光加工參數，以可靠地獲得目標材料特性，同時最大限度地減少昂貴的實驗迭代。移動熱源的問題可以通過 CFD 工具（如 CFX 和 Fluent）或 FEA 軟件包來解決。

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移動熱源建模

本博客中的演示是在 Workbench 環境中提供的“瞬態-熱”模塊上執行的。請務必記住，不建議在“穩態”模塊上使用此 ACT（Ansys 定制工具）。在瞬態模型中，用戶可以在分析中包括更多的熱邊界條件，例如仿真期間的對流和輻射。?

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Ansys 定制工具

Ansys Store?是一個平臺，提供廣泛的應用來增強 Ansys 解決方案的功能。這些應用被稱為 Ansys 定制工具 （ACT），是已發布的 ACT 擴展，旨在在目標 Ansys 產品中執行特定功能。

該商店提供由 Ansys 和值得信賴的合作伙伴開發的免費和付費應用。要購買付費應用程序，您需要請求離線履行的報價，而免費應用程序只需登錄即可下載。該商店還允許您根據目標應用程序、產品版本和價格過濾應用程序。

客戶可以通過下載源代碼附帶的免費應用程序從 ACT 中受益，允許他們查看、復制甚至修改代碼以創建針對其特定需求定制的自定義應用程序。這可以通過自動執行任務或向現有 Ansys 產品添加新功能來顯著簡化仿真流程并提高生產力。

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安裝 ACT

首先，您必須下載并安裝一個為此目的開發的 ACT。請執行以下步驟：

1. 在線訪問?Ansys 商店。
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2. 搜索： 熱源.
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3. 您將看到以下 ACT。
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4. 單擊每個選項以訪問描述和 Download 鏈接。獲取文件并在計算機上解壓縮文件。
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5. 現在，打開 Workbench。轉到 Extensions > Install Extension 安裝擴展。在步驟 4 中解壓縮的文件中搜索?bin 文件夾中的?wbex?文件。
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   安裝 ACT 后，您將看到以下消息作為確認：
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6. 打開“ACT 起始頁”，然后打開“管理擴展”
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7. 單擊灰色三角形，然后單擊 'Load Extension'。Nex 中，您將看到 ACT 塊是綠色的。ACT 已準備就緒，可供使用。
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現在，轉到 Project Desktop。拖放 'Steady-Thermal' 模塊。您將看到兩個選項卡，分別名為 'Moving Heat Flux' 和 'Moving Heat Energy'。

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模型設置

• 創建幾何體和網格;這里對經典鋼板進行建模 （70 x 40 x 10 mm）。請注意，該幾何體有三個實體和一條中心線。請注意以下步驟，以了解如何準備幾何圖形。
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• 回想一下，對流 和 輻射 應用于除底部之外的所有表面，其中定義了完美的絕緣。現在，右鍵單擊“瞬態-熱”>插入>移動熱通量。
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• 設置。A：幾何
  
  圖形。選擇頂部的藍色曲面 （而不是實體）。
  
  路徑。選擇定義熱源軌跡的線。這意味著路徑是幾何圖形的一部分。在本例中，它是一條直線。
  
  起點。所選點將位于 Heat （加熱） 曲線的中心作為起始位置。
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• 設置 B：熱源
  
  指數。當包含兩個或多個熱源設置時，它是給定熱源設置的 ID。
  
  第一個補丁？。鍵入要應用的第一個熱源的索引。
  
  最后一個補丁？。鍵入模型中最后一個熱源的索引。當只有一個熱源時，答案是肯定的。
  
  速度。它是熱源的速度。方向由 Path 定義。注意單位。
  
  梁的半徑。鍵入梁半徑（而不是直徑）。同樣，要注意單位。
  
  源 Power Intensity。鍵入 Heat Source（熱源）的運行強度。這意味著，最大值。回想一下，這是一個高斯分布。
  
  開始和結束時間。在穩態仿真中，這在分析設置的初始/結束步驟中定義。請注意，必須根據每個熱源的時間和速度（距離 = 速度*時間）覆蓋總距離。
  
  段數。這是一個優化路徑分割的選項，路徑被劃分為等距點，這些點將用作移動熱通量的中心。僅適用于“Last Patch”。
  
  冷卻階段的最小步驟。用戶可以增加總分析時間，從而可以同時模擬“結束時間”和板的冷卻。此輸入定義冷卻階段的子步驟數。
  
  材料去除。是/否。此選項允許包含此效果，并且需要更多的計算資源進行處理。
  
  熔化溫度。設置限制以應用材料刪除。
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結果

• 無需去除材料的熱源

基線模型是使用 12 個內核求解的模型。下面顯示的視頻顯示了板上按溫度著色的輪廓。此外，該圖還顯示了使用一個 HPC Pack 許可證時處理時間的減少。綜上所述，其速度提升大約是具有四個內核的模型時間的四倍。

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材料去除

如前所述，此 ACT 包括刪除超過溫度限制的元件的選項;即材料的熔化溫度。為此，激活元素誕生和死亡功能以“殺死”具有上述條件的元素。信息保存在名為 “ekill_curr.txt”、“Killed_ele.txt” 和 “read_kill.txt”?的文件中。需要注意的是單元類型，因為材料去除僅適用于線性單元。使用 12 個內核時，相同幾何體和設置的處理時間達到了大約 15 小時。

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鍵入 400°C 的值僅用于演示目的。

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