基于ANSYS的焊接參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響分析

2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

本文使用ansys研究了平板堆焊中,焊接速度和高斯有效熱源半徑對(duì)其焊接溫度場(chǎng)的影響。經(jīng)過計(jì)算表明:焊接速度越快,平板在焊接過程中的最高溫度越低;熱源有效半徑越小,平板在焊接過程中的最高溫度越高。這一結(jié)論對(duì)焊接優(yōu)化控制參數(shù)有著重要的指導(dǎo)意義。
作者: 張洪才來源: e-works
關(guān)鍵字: CAE ansys 焊接溫度場(chǎng)

1 引言
焊接溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算或測(cè)量,是焊接冶金分析和焊接應(yīng)力、應(yīng)變熱彈塑性動(dòng)態(tài)分析的前提。關(guān)于焊接熱過程的分析,蘇聯(lián)科學(xué)院的助Rykalin院士對(duì)焊接過程傳熱問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,建立了焊接傳熱學(xué)的理論基礎(chǔ)。為了求熱傳導(dǎo)微分方程的解,他把焊接熱源簡(jiǎn)化為點(diǎn)、線、面三種形式的理想熱源,且不考慮材料熱物理性質(zhì)隨溫度的變化以及有限尺寸對(duì)解的影響。實(shí)際上焊接過程中除了包含由于溫度變化和高溫引起的材料熱物理性能和變化而導(dǎo)致傳熱過程嚴(yán)重的非線性外,還涉及到金屬的熔化、凝固以及液固相傳熱等復(fù)雜現(xiàn)象,因此是非常復(fù)雜的。由于這些假定不符合焊接的實(shí)際情況,因此所得到的解與實(shí)際測(cè)定有一定的偏差,尤其是在焊接熔池附近的區(qū)域,誤差很大,而這里又恰恰是研究者最為關(guān)心的部位。
本文利用ansys建立了平板焊接的三維模型,并研究焊接速度和高斯熱源的有效半徑對(duì)其溫度場(chǎng)的影響。為實(shí)際的焊接工程了提供了一定的指導(dǎo)意義。
2 模型建立與計(jì)算討論
模型尺寸為100mm×50mm×6mm,材料為20號(hào)鋼,電弧沿焊件中心移動(dòng)。由于模型的對(duì)稱性,本文只選取半模型進(jìn)行計(jì)算,其有限元模型圖圖1所示。

基于ANSYS的焊接參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響分析 +應(yīng)用技術(shù)圖片圖片2

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本文使用solid70單元來模擬焊接過程的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng),為了提高計(jì)算的精度又要節(jié)省計(jì)算時(shí)間,在靠近焊縫中心處即從焊縫中心到距離其5mm的區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格控制在1mm,然后其網(wǎng)格密度一次減小;在厚度方向劃分為兩層。
計(jì)算參數(shù):焊接的電壓U=20;焊接電流I=160;熱效率為0.7。表1給出了平板的溫度場(chǎng)計(jì)算參數(shù)。由于材料缺乏高溫材料數(shù)據(jù),因此1500度以上的數(shù)據(jù)采用外插得到。

基于ANSYS的焊接參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響分析 +應(yīng)用技術(shù)圖片圖片3

本文采用高斯熱源來模擬電弧,現(xiàn)將高斯熱源簡(jiǎn)述如下:焊接時(shí),電弧熱源把熱能傳給焊件是通過一定的作用面積進(jìn)行的,這個(gè)面積稱為加熱斑點(diǎn)。加熱斑點(diǎn)上熱量分布是不均勻的,中心多而邊緣少。費(fèi)里德曼將加熱斑點(diǎn)上熱流密度的分布近似地用高斯數(shù)學(xué)模型來描述,距加熱中心任一點(diǎn)A的熱流密度可表示為如下形式:
(1)
式中: (2)
這種熱源模型在用有限元分析方法計(jì)算焊接溫度場(chǎng)時(shí)應(yīng)用較多。在電弧挺度較小、對(duì)熔池沖擊力較小的情況下,運(yùn)用這種模型能得到較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。
下面給出了給定熱源半徑和焊接速度時(shí),各考察點(diǎn)的溫度與時(shí)間的關(guān)系圖。

基于ANSYS的焊接參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響分析 +應(yīng)用技術(shù)圖片圖片6

3 R=0.007V=0.0051-44 R=0.007V=0.0055-8

圖3和圖4給出了熱源半徑為0.007m;焊接速度為5mm/s時(shí)的1-8點(diǎn)的溫度與時(shí)間的關(guān)系。從圖中可知:焊縫中心處各考察點(diǎn)的溫度變化規(guī)律基本相同,只是和高斯熱源運(yùn)動(dòng)的時(shí)間有關(guān),且在40s后溫度基本下降到400度,在此以后焊縫中心處的各點(diǎn)都一相同的速度降溫。從圖4可以看出:焊接結(jié)束處的8點(diǎn)溫度最高,且在100s四個(gè)點(diǎn)的溫度基本相同。
圖5和圖6給出了熱源半徑為0.006m;焊接速度為5mm/s時(shí)的1-8點(diǎn)的溫度與時(shí)間的關(guān)系。由圖可知:各點(diǎn)的溫度變化規(guī)律與熱源半徑為0.007m;焊接速度為5mm/s時(shí)的1-8點(diǎn)的溫度與時(shí)間的關(guān)系基本相同。但其溫度最高值要比其高大約300度,由此可以推斷當(dāng)其他條件不變時(shí)高斯熱源的有效半徑減小,其溫度的最高值會(huì)明顯增加。

5 R=0.006V=0.0051-46 R=0.006V=0.0055-8 基于ANSYS的焊接參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響分析 +應(yīng)用技術(shù)圖片圖片8

7 R=0.007V=0.011-48 R=0.007V=0.015-8

圖5和圖6給出了熱源半徑為0.007m;焊接速度為10mm/s時(shí)的1-8點(diǎn)的溫度與時(shí)間的關(guān)系。由圖可知:各點(diǎn)的溫度變化規(guī)律與熱源半徑為0.007m;焊接速度為5mm/s時(shí)的1-8點(diǎn)的溫度與時(shí)間的關(guān)系基本相同。但其溫度最高值要比其低大約300度,由此可以推斷當(dāng)其他條件不變時(shí)焊接速度增大,其溫度的最高值會(huì)明顯降低。
3 結(jié)論
通過以上分析和計(jì)算可以得出以下結(jié)論:
(1)ansys可以很好的模擬和計(jì)算焊接過程的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)。
(2)當(dāng)其他條件不變時(shí)焊接速度增大,其溫度的最高值會(huì)明顯降低;當(dāng)其他條件不變時(shí)高斯熱源的有效半徑減小,其溫度的最高值會(huì)明顯增加。

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