利用高性能计算进行大规模激光束焊接热-力学模拟：实验结果的定性复现
数值分析
2025-03-13 v1 计算工程、金融与科学
数值分析
摘要
激光束焊接是一种非接触式连接技术，随着工业制造自动化程度的提高而获得了显著的重要性。由于其非接触加工、短周期时间和较小的热影响区，该工艺已成为金属材料的一种合适的连接工具。然而，一个潜在的问题是凝固裂纹的形成，这对具有明显熔化范围的合金影响尤为严重。由于凝固裂纹受温度和应变率的共同影响，精确的测量技术至关重要。为此，采用控制拉伸可焊性(CTW)试验结合局部变形测量技术作为实验设置。本工作的目的是开发计算方法和软件工具以数值模拟CTW。数值结果与实验CTW的结果进行了比较。本研究中选取了一片奥氏体不锈钢片。假设具有温度相关材料参数的热-弹塑性材料行为。该含时问题首先在时间上离散化，然后利用牛顿法将所得非线性问题线性化。在空间离散化方面，采用了有限元。为了获得足够精确的解，需要使用大量有限元。在每个牛顿步中，这产生了一个大型线性方程组，需要求解。因此，采用了基于PETSc软件库的高度并行可扩展求解器框架，在高性能计算架构上求解这一计算挑战性问题。最后，将实验结果与数值模拟进行了比较，结果显示两者具有良好的一致性。
引用
@article{arxiv.2503.09345,
title = {Large-scale Thermo-Mechanical Simulation of Laser Beam Welding Using High-Performance Computing: A Qualitative Reproduction of Experimental Results},
author = {Tommaso Bevilacqua and Andrey Gumenyuk and Niloufar Habibi and Philipp Hartwig and Axel Klawonn and Martin Lanser and Michael Rethmeier and Lisa Scheunemann and Jörg Schröder},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.09345},
year = {2025}
}