热-力学相场断裂模型：在增材制造热裂纹模拟中的应用
材料科学
2022-12-28 v1
摘要
热断裂在许多工程问题中普遍存在，并且是金属增材制造中最具破坏性的缺陷之一。由于所涉及的交互底层物理，此类过程的计算模拟具有挑战性。在本工作中，我们提出了一种基于热力学一致推导的热-力学相场断裂模型。讨论了不同耦合项（如损伤感知的热力学行为和热传导、温度相关断裂特性）以及不同相场断裂公式的影响。最后，该模型在有限元方法中实现，并应用于模拟增材制造中的热裂纹。其中不仅考虑了热应变，还考虑了凝固收缩。对于热历史，考虑了各种预测的热剖面，包括熔池周围的分析解和数值温度剖面，后者包含了不同工艺参数的影响。研究揭示，凝固收缩应变在周向裂纹的形成中起主导作用，而温度梯度主要负责中心裂纹。工艺参数研究进一步表明，较高的激光功率和较慢的扫描速度有利于匙孔模式热裂纹，而较低的激光功率和较快的扫描速度倾向于形成传导模式裂纹。热裂纹模式的数值预测与类似的实验观察结果吻合良好，显示了该模型用于进一步研究的能力。
引用
@article{arxiv.2208.02336,
title = {A thermo-mechanical phase-field fracture model: application to hot cracking simulations in additive manufacturing},
author = {Hui Ruan and Shahed Rezaei and Yangyiwei Yang and Dietmar Gross and Bai-Xiang Xu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2208.02336},
year = {2022}
}