Simulation of droplet motion in welding arcs as a case study of remeshing

• Autorzy: Cybułka P. , Siwek A. , Rońda J. , Banaś K.

Warianty tytułu

PL

Symulacja ruchu kropli w łuku spawalniczym jako studium przypadku remeshingu

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper describes the applicability of re-meshing techniques for accurate modelling of droplet motion. The simulation takes place in a 3D domain. Locally the mesh is divided into two parts - a droplet and its surroundings. The part of a mesh around a droplet is composed of prismatic elements forming a thin layer to resolve better the boundary layer around the moving droplet. The rest of the domain is split into tetrahedrals using Delaunay triangulation. Nodes on the surface of a droplet during the FE simulation move relative to the surrounding material creating a moving boundary of the domain. The quality of a mesh deteriorates in the vicinity of a moving boundary. At each stage of numerical simulation the quality of a mesh is monitored and certain measures, like smoothing, are used to improve it. At certain moment of numerical evaluations, it becomes impossible to retain the quality of the mesh without deleting some elements and creating new ones. The re-meshing is firstly done locally, and if it does not suffice, it is spreading for a larger part of the domain. The meshing algorithm, used in the whole process, is based on the Delaunay triangulation. Some modifications are done using the concept of a layer of prismatic elements around a droplet. The vertices of elements on the outer surface of the layer belong to a set of input points for automatic triangulation. The triangulation process creates elements of various sizes with finer grading around a droplet to obtain the better resolution of its shape. Another difficulty comes from the necessity to trace the motion of a droplet. When considering the contact of a droplet with the boundary of the problem domain (or any other possible obstacles) the efficient search techniques are used to detect collisions. To this end, the Octree advanced collision detection technique, based on data structures and algorithms are employed. The newly developed software application will provide the simulation of welding processes with considering energy and mass transfer to the weld pool. This requires the proper consideration of a filler material flow to the weld pool and involves transport of filler material droplets through the welding arc, i.e. plasma beam, to the weld pool. The numerical technique described in the paper, is our first attempt to model of welding process both with energy and mass transfer. The next approach, will take into consideration of a droplet contact with a surface of the weld bath and more detailed energy transfer from the plasma beam to the weld pool.

PL

Artykuł przedstawia technikę re-meshingu zastosowaną w modelowaniu trójwymiarowej przestrzeni z ruchomym brzegiem. Metoda ta znajduje zastosowanie między innymi w dokładnym modelowaniu ruchu spadającej kropli metodą elementów skończonych. W tym celu siatka zostaje lokalnie podzielona na dwie części - kropli i jej otoczenie. Część siatki wokół kropli składa się z elementów pryzmatycznych tworzących cienką warstwę przyścienną. Warstwa pryzmatyczna została utworzona w celu uzyskania dokładnego rozwiązania na granicy przestrzeni kropli a otoczenia. Pozostała część przestrzeni jest podzielona na czworościany za pomocą techniki opartej na triangulacji Delaunay w przestrzeni 3D. Podczas symulacji MES węzły na powierzchni przesuwanej kropli tworzą ruchomy brzeg względem obszaru otaczającego kroplę, przez co jakość siatki wokół kropli pogarsza się. Na każdym etapie numerycznych symulacji jakość siatki jest monitorowana i pewne środki, takie jak wygładzanie, wykorzystywane są do jej poprawy. W pewnym momencie niemożliwe staje się zachowanie odpowiedniej jakości siatki bez usuwania i tworzenia nowych elementów. Początkowo odpowiedni re-meshing siatki wykonywany jest lokalnie, a jeśli to nie wystarczy, jest rozłożony na większą część obszaru. Celem nowo tworzonego oprogramowania jest zapewnienie właściwego zarządzania siatką podczas symulacji procesów z ruchomym brzegiem oraz ewentualne uwzględnienie warstwy przyściennej. Oprogramowanie zostanie zastosowane między innymi w symulacjach procesu spawania uwzględniających transfer energii i masy do jeziorka. Modelowanie procesu wy­maga należytego rozpatrzenia przepływu materiału wypełniającego do jeziorka i obejmuje transport kropli spoiwa poprzez łuk spawalniczy, czyli wiązkę plazmy, do jeziorka.

Słowa kluczowe

EN

mesh generation; mesh movement; remeshing; welding; mass transfer

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 11, No. 2
• Strony: 381--386
• Opis fizyczny: Bibliogr. 3 poz., rys.

Twórcy

autor

Cybułka P.

autor

Siwek A.

autor

Rońda J.

autor

Banaś K.

• AGH University of Science and Technology, al. Mickiewicza30, 30-059 Kraków, Poland,

Bibliografia

• Jurczyk, T., 2007, Efficent Algorithms of Automatic Discretization of Non-Trivial Three-Dimensional Geometries and its Object-Oriented Implementation, PhD Thesis, AGH University of Science and Technology, Krakow.
• Madej, L., Cybulka, G., Perzynski, K, Rauch, L., Pietrzyk, M., 2009, Multi Scale Modeling Based on Digital Material Representation, Proc. X Conf, COMPLAS, Barcelona, CD.
• Lohner, R., 2008, Applied Computational Fluid Dynamics Techniques - An Introduction Based on Finite Element Methods, Second Edition, John Wiley & Sons, Ltd, Chichester.