激光摆动焊接的Abaqus温度场分析：探索多种热源与摆动模式

激光摆动焊接abaqus温度场分析圆形/正弦摆动同金属/异种金属摆动焊接温度场分析基于高斯热源/双椭球热源/柱热源模型和子程序文件

在焊接领域，激光摆动焊接因其独特优势备受关注，而借助Abaqus对其温度场进行分析能深入了解焊接过程。今天咱们就来聊聊这其中涉及的圆形/正弦摆动模式，以及同金属、异种金属摆动焊接的温度场，还有基于不同热源（高斯热源、双椭球热源、柱热源）的情况，顺带说说模型和子程序文件。

一、摆动模式：圆形与正弦摆动

圆形摆动

圆形摆动焊接时，激光束会沿着圆形轨迹移动。在Abaqus中模拟时，我们可以通过定义热源的移动路径来实现。比如说，假设我们使用Python脚本结合Abaqus的脚本接口，代码大概像这样：

python 复制代码

from abaqus import *
from abaqusConstants import *

# 获取模型
mdb.models['Model-1']

# 定义圆形摆动路径
center = (0, 0)  # 圆心坐标
radius = 5  # 半径
num_points = 100  # 路径点数
path_points = []
for i in range(num_points):
    angle = 2 * pi * i / num_points
    x = center[0] + radius * cos(angle)
    y = center[1] + radius * sin(angle)
    path_points.append((x, y))

# 这里后续可以结合热源定义，让热源沿着path_points移动

这段代码首先导入必要的Abaqus模块，然后定义了一个圆形路径的圆心、半径和点数，通过循环计算出圆形路径上的各个点坐标。在实际应用中，这些点坐标将用于引导热源的移动。

正弦摆动

正弦摆动则是让激光束按照正弦函数的规律进行摆动。同样用Python代码实现如下：

python 复制代码

from abaqus import *
from abaqusConstants import *

# 获取模型
mdb.models['Model-1']

# 定义正弦摆动参数
amplitude = 5  # 振幅
frequency = 0.1  # 频率
time_step = 0.01  # 时间步长
total_time = 10  # 总时间
num_points = int(total_time / time_step)
path_points = []
for i in range(num_points):
    time = i * time_step
    x = time
    y = amplitude * sin(2 * pi * frequency * time)
    path_points.append((x, y))

# 同样后续结合热源定义，让热源沿此路径移动

此代码通过设置振幅、频率、时间步长和总时间，利用正弦函数计算出每个时间步对应的y坐标，x坐标则随时间线性变化，从而得到正弦摆动的路径点。

二、同金属与异种金属摆动焊接温度场

同金属焊接

对于同金属摆动焊接，由于材料属性一致，温度场的分布相对规律一些。在Abaqus建模时，只需为整个模型赋予相同的材料属性。例如：

python 复制代码

mdb.models['Model-1'].Material(name='Steel')
mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Elastic(table=((210E9, 0.3),))

这段代码为模型定义了名为"Steel"的材料，并设置其弹性模量为210GPa，泊松比为0.3。在后续网格划分和分析设置中，整个同金属焊件都将使用这个材料属性。

异种金属焊接

而异种金属焊接就复杂些，因为不同金属材料的热物理性能差异大。比如焊接钢和铝，我们需要分别定义两种材料属性。

python 复制代码

mdb.models['Model-1'].Material(name='Steel')
mdb.models['Model-1'].materials['Steel'].Elastic(table=((210E9, 0.3),))

mdb.models['Model-1'].Material(name='Aluminum')
mdb.models['Model-1'].materials['Aluminum'].Elastic(table=((70E9, 0.33),))

这里分别定义了钢和铝的材料属性，在建模时要准确划分不同材料区域，以确保温度场分析的准确性。

三、不同热源模型：高斯、双椭球与柱热源

高斯热源

高斯热源是一种常用的热源模型，其热流密度分布符合高斯函数。在Abaqus中，我们可以通过子程序来定义高斯热源。下面是一个简单的Fortran子程序示例：

fortran 复制代码

SUBROUTINE DFLUX(FLUX,TIME,COORD,SNAME)
  IMPLICIT NONE
  REAL*8 FLUX(3), TIME, COORD(3)
  CHARACTER*80 SNAME
  REAL*8 Q, R, R0, A
  Q = 100000.0! 总热量
  R0 = 5.0! 热源半径
  A = 2 * Q / (pi * R0 * R0)! 系数
  R = SQRT(COORD(1) * COORD(1) + COORD(2) * COORD(2))
  IF (R <= R0) THEN
      FLUX(3) = A * EXP(-2 * R * R / (R0 * R0))
  ELSE
      FLUX(3) = 0.0
  END IF
END SUBROUTINE DFLUX

这个子程序根据坐标计算热流密度，当点到热源中心距离小于等于热源半径时，按照高斯函数计算热流密度，否则热流密度为0。

双椭球热源

双椭球热源更能模拟实际焊接热源的非对称分布。其Fortran子程序代码较为复杂，这里给出大致框架：

fortran 复制代码

SUBROUTINE DFLUX(FLUX,TIME,COORD,SNAME)
  IMPLICIT NONE
  REAL*8 FLUX(3), TIME, COORD(3)
  CHARACTER*80 SNAME
  REAL*8 Q, A1, A2, B, C, R1, R2
  Q = 100000.0! 总热量
  A1 = 5.0! 前半椭球参数
  A2 = 10.0! 后半椭球参数
  B = 5.0
  C = 5.0
  R1 = SQRT((COORD(1) + A1) * (COORD(1) + A1) / A1 / A1 + COORD(2) * COORD(2) / B / B + COORD(3) * COORD(3) / C / C)
  R2 = SQRT((COORD(1) - A2) * (COORD(1) - A2) / A2 / A2 + COORD(2) * COORD(2) / B / B + COORD(3) * COORD(3) / C / C)
  IF (COORD(1) <= 0) THEN
      IF (R1 <= 1) THEN
          FLUX(3) = 6 * Q / (pi * A1 * B * C) * EXP(-3 * R1 * R1)
      ELSE
          FLUX(3) = 0.0
      END IF
  ELSE
      IF (R2 <= 1) THEN
          FLUX(3) = 6 * Q / (pi * A2 * B * C) * EXP(-3 * R2 * R2)
      ELSE
          FLUX(3) = 0.0
      END IF
  END IF
END SUBROUTINE DFLUX

这个子程序根据点在前半椭球还是后半椭球，分别按照不同的双椭球方程计算热流密度。

柱热源

柱热源相对简单，假设热源为圆柱形分布。Fortran子程序示例如下：

fortran 复制代码

SUBROUTINE DFLUX(FLUX,TIME,COORD,SNAME)
  IMPLICIT NONE
  REAL*8 FLUX(3), TIME, COORD(3)
  CHARACTER*80 SNAME
  REAL*8 Q, R, R0, A
  Q = 100000.0! 总热量
  R0 = 5.0! 热源半径
  A = Q / (pi * R0 * R0)! 系数
  R = SQRT(COORD(1) * COORD(1) + COORD(2) * COORD(2))
  IF (R <= R0) THEN
      FLUX(3) = A
  ELSE
      FLUX(3) = 0.0
  END IF
END SUBROUTINE DFLUX

该子程序在热源半径范围内，热流密度为常数，超出范围则为0。

四、模型和子程序文件

在Abaqus中，模型文件（.cae）包含了整个焊接模型的几何形状、材料属性、网格划分、边界条件等信息。而我们上面编写的热源子程序文件（如Fortran代码保存为.for文件），需要通过Abaqus的用户子程序接口进行关联。具体步骤是在Abaqus的分析步设置中，选择合适的用户子程序类型（如DFLUX对应定义热流密度的子程序），然后指定子程序文件路径。这样，在进行温度场分析计算时，Abaqus就会调用我们编写的子程序来模拟不同的热源分布。

通过对激光摆动焊接在Abaqus中的温度场分析，从摆动模式、材料类型到热源模型的深入探讨，希望能帮助大家更好地理解和优化焊接工艺，为实际生产提供有力的理论支持。

以上就是本次关于激光摆动焊接Abaqus温度场分析的分享啦，欢迎大家一起交流讨论。