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基于ANSYS的旋转电弧***温度场的数值模拟
收录时间:2022-11-25 21:36:56  浏览:0
***技术第40卷第6期2011年6月 试验与研究 收稿日期 2010 12 06 基金项目 国家大学生创新性实验计划项目 081040330 文章编号 1002 025X 2010 10 0014 04 基 于 ANSYS 的 旋 转 电 弧 焊 接 温 度 场 的 数 值 模 拟 贾剑平 施辉飞 彭桃 孙鹏 张亚琴 南昌大学 机电工程学院 江西 南昌330031 摘要 旋转电弧***是一个电弧边旋转边移动的***过程 可用来进行焊缝*** 可使***质量良好 本文以高斯分布热源作为***热源 初步分析了旋转电弧传感器旋转半径 旋转频率 旋转方向 电弧电压 ***电流及***速度的改变对***熔池的影响 从而为合理选择 ***工艺参数和保证焊缝质量提供了理论依据 关键词 旋转电弧 *** 温度场 ANSYS 数值模拟 中图分类号 O242 21 TG40文献标志码 B 0序言 ***温度场的准确计算是***冶金分析 *** 应力和变形分析以及***质量控制的前提 随着对 ***质量要求的不断提高 单靠试验手段来研究温 度场分布是十分困难的 1 笔者以旋转电弧传感器焊 接过程为研究对象 利用ANSYS软件 建立旋转电 弧焊的有限元模型 包括确定几何模型 材料特性 参数 单元类型 网格划分 生死单元技术以及旋 转电弧***的特殊热源模型等 对旋转电弧***进 行了数值模拟 2 传统的研究方法为 理论 试验 生产 本课 题研究采用的是 理论 数值模拟 生产 方法 后 者比前者不仅节省了时间 人力 财力和物力 而且 能得到试验无法得到的某些结果 旋转电弧传感器***与普通***方法有很大的 区别 主要原因是电弧的旋转所引起的 电弧的旋 转使熔滴产生离心力 因而熔滴对熔池的作用效果 也就不同 1有限元计算模型 考虑温度场的高度非线性及计算量等因素 在焊 接温度场分析中作以下假设 材料为各向同性 不考虑工件与试验台及夹具之间的热传导 假设工 件的所有外边界仅与空气发生对流换热 忽略电 弧对焊件的辐射 忽略熔池流体的流动作用 工件的初始温度与周围环境温度体的流动作用 忽略金属的填充熔敷作用 热分析单元选用8节点六面体单元SOLID70 该 单元是三维体单元 结构内有8个节点 求解***度 为温度 该节点具有较好的计算性能 在整个***过程中 焊件的温度都随时间空间不 断地变化 计算中所用到的热导率 比热容c以及 密度 随温度在不断变化 给定Q235A钢在20 2 500 范围内的热导率 比热容c以及密度 随 温度变化值见表1 建立有限元模型 模型尺寸为80 mm 50 mm 5 mm 其有限元模型的三维图形如图1所示 网格划 分采用映射网格 并且在焊缝中心采用较为细密的网 格 而在远离焊缝的地方 为了节省计算时间 且由 于计算机容量的*** 则适当采用较大的网格 3 如 图2所示 表1Q235A钢的热物理性能 12345678 温度 202505007501 0001 5001 7002 500 密度 kg m 3 7 8207 7007 6107 5507 4907 3507 3007 090 比热容 J kg 1 K 1 494 16 512 36 800 02644 56739 06928 06 1 003 7 1 306 1 热导率 W m 1 K 1 58 82547 333 0628 616 316 316 316 3 散热系数 W m 1 K 1 4673140125224400450500 热焓 J m 3 09 5 1092 23 1093 6 1094 69 1097 29 1098 7 1091 53 1010 14 Welding Technology Vol 40 No 6Jun 2011 图1有限元模型的三维图形 试验与研究 2边界条件 其他无热输入表面 ***过程中 由于焊件的温 度高于周围介质的温度 因此 焊件与周围介质发生 热量的传输过程 周围介质主要指焊件周围的气态环 境 其传热过程主要有2种形式 对流换热和辐射换 热 具有温度差的***工件表面与周围介质 如空 气 的交接面处存在着对流换热 ***工件表面与周 围介质的换热量等于对流和辐射换热量之和 用式 1 表示 坠T 坠n T T0 0 1 式中 n为边界表面外法线方向 为表面换热系数 包括对流换热系数 辐射换热系数 T为工件上的 温度 初始时刻T T0 T0为室温 并取T0 293 K 3***热源 本研究模拟的是旋转电弧平板堆焊 其特点是焊 缝熔深较浅 因此在热源模型选择时不考虑体热源 选取高斯热源作为***热源 4 由于本研究的***热 源是基于旋转电弧传感器的***电弧 因此 此时电 弧中心的运动轨迹为沿焊缝的直线运动和旋转电弧传 感器圆周运动的叠加 便得到旋转电弧传感器热源函 数 可用式 2 表示 q r UI 2 2q exp r2 2 2q UI 2 2q x22 y22 2 2q 2 随着***过程的进行 热源也随之在被焊工件上 方不断地向前移动 移动热源的加载通过ANSYS软 件APDL语言编程来实现 设定载荷步时间 选择时 间步长t 0 01 s 在时间步长为0 01 s时 频率为15 Hz时 每圈可以捕捉到6 7个点 当频率为20 Hz时 每圈可以捕捉到5个点 基本反映到了其旋转特性 4计算结果与分析 施加载荷及设定边界条件后 进行后处理 图3 所示为***过程的温度场 由图3可以明显地看出温 度的分布情况 在有限元单元上选取等距离的9个节 点 如图4a所示 得到了各节点的热循环曲线 如 图4b所示 由图中可以看出 随着***过程的进行 及电弧运动各节点温度随时间先上升后下降 不到1 s节点温度达到了3 000 5 图2划分网格的有限元单元 图3***温度场 a 节点位置示意图 1 2 34 56 78 9 15 ***技术第40卷第6期2011年6月 根据***工艺参数和试验要求 主要是考虑*** 电流 电弧电压 旋转频率 旋转直径 ***速度以 及旋转方向这6个因子 ***工艺参数见表2 考虑 到各因子之间的相互作用 ***电流与电弧电压 焊 接电流与旋转频率 ***电流与旋转直径 电弧电压 与旋转频率 电弧电压与旋转直径以及旋转频率与旋 转直径 并根据因子个数和水平选择了正交表L16 215 6 通过液相线温度 精确地计算出熔宽及熔 深 如图5所示 数值模拟结果见表3 根据模拟结果 利用MATLAB软件得到工艺因子 对焊缝几何尺寸的影响曲线 如图6所示 电弧传感 器旋转方向对焊缝几何尺寸的影响曲线 如图7所示 试验与研究 时间 s 0123456 4 000 3 500 3 000 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 节点温度 图4模型上取点及热循环曲线 b 各节点热循环曲线 图5***熔池 表2***工艺参数 表3高斯热源模拟分析的焊缝参数 ***电流 I A 电弧电压 U V 旋转频率 f Hz 旋转直径 D mm ***速度 v cm min 1 旋转 方向 ***热效率 220 25023 2515 203 4 440 60正 反0 65 模拟 序号 最高温度 熔宽 mm 熔深 mm 模拟 序号 最高温度 熔宽 mm 熔深 mm 13 7519 1401 22593 45210 931 350 23 5208 1251 300102 8139 2701 400 32 86811 4251 000113 0299 6851 200 43 06110 3201 225123 7149 4151 325 53 0599 5401 225133 2028 8151 250 63 1948 6601 400143 0688 6201 275 73 4169 9451 175153 2779 5151 350 83 2718 4401 225163 4208 6701 375 a ***电流对焊缝几何尺寸的影响 b 电弧电压对焊缝几何尺寸的影响 c ***速度对焊缝几何尺寸的影响 电弧电压 V 232425 14 12 10 8 6 4 2 0 熔宽及熔深 mm 熔深 熔宽 23 2 23 4 23 6 23 824 2 24 4 24 6 24 8 ***电流 A 220225230235240245250 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 熔宽及熔深 mm 熔深 熔宽 ***速度 cm min 1 4042444648505254565860 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 熔宽及熔深 mm 熔深 熔宽 频率 Hz 15 15 5 16 16 5 17 17 5 18 18 5 19 19 5 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 熔宽及熔深 mm 熔深 熔宽 d 电弧旋转频率对焊缝几何尺寸的影响 16 Welding Technology Vol 40 No 6Jun 2011 11111111111111111111111111111111111111111111111 上接第10页 通过数学分析 建立了该五星脚焊缝的曲线方程 经过详细计算 建立了焊***运动速度与工件旋转速 度的匹配关系 为实现五星脚***自动化提供了理 论依据 参考文献 1 张忠厚 刘丽 刘强 大直径超薄壁长筒体纵环缝自动*** 装置的研制 J *** 1999 43 8 28 30 2 张忠厚 真秀卿 管连接自动***装置的设计及主要参数的计算 J 山东工业大学学报 1996 26 3 236 239 3 田赡民 易有邦 采用合成运动实现空间***轨迹 J 轻工机 械 1994 4 6 9 作者简介 姜无疾 1973 内蒙古赤峰人 硕士研究生 讲师 研究方向为CIMS 发表论文10余篇 在模拟及试验所设定的参数范围内 分析得出 在其他***工艺因子不变的情况下 单独考虑一个因 子的变化有 1 ***电流增大时 熔宽基本保持 不变 而熔深呈增大趋势 但趋势不大 焊缝最高温 度升高 2 电弧电压升高时 熔宽逐渐增大 熔 深呈增大趋势 但趋势不大 焊缝最高温度升高 3 ***速度增大时 熔宽逐渐减小 熔深呈减小趋 势 但趋势不大 焊缝最高温度降低 4 电弧旋 转频率增大时 熔宽增大 熔深呈减小趋势 但趋势 不大 5 电弧旋转直径增大时 熔宽增大 而熔 深呈减小趋势 但不明显 6 电弧旋转方向变化 熔池的大小并不改变 只是相对坐标系有偏移 偏移 量相反 与工艺试验结果进行了比较 数值模拟结果与试 验结果基本吻合 误差控制在合理的范围内 5结论 以旋转电弧***为研究对象 建立了有限元模 型 通过温度场分析了旋转电弧***过程 研究了焊 接工艺参数及旋转电弧传感器自身的特性对熔池的影 响 从而为实际***提供了依据 参考文献 1 黄晖 贾剑平 黎和昌 基于ANSYS平台的旋转电弧传感器焊 接热过程模拟 J 南昌大学学报 工科版 2007 29 1 22 28 2 刘仁培 董祖珏 魏艳红 ***凝固裂纹数值模拟前处理系统 C 第十次全国***学会论文集 1 黑龙江 哈尔滨 黑龙江人 民出版社 2001 201 204 3 胡国良 任继文 ANSYS11 0有限元分析入门与提高 M 北京 国防工业出版社 2009 92 113 4 武传松 ***热过程与熔池形态 M 北京 机械工业出版社 2007 22 27 5 马立 等离子弧***熔池流场与温度场三维数值模拟 D 天 津 天津大学 2006 6 黄晖 基于数值模拟的旋转电弧焊缝成形工艺参数优化 D 江 西 南昌 南昌大学 2007 电弧旋转直径 mm 33 544 5 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 熔宽及熔深 mm 熔深 熔宽 试验与研究 e 电弧旋转直径对焊缝几何尺寸的影响 图6工艺因子对焊缝的影响 图7电弧旋转方向对焊缝的影响 a 电弧传感器正转 b 电弧传感器反转 17 Welding Technology Vol 40 No 5 May 2011 英文标题 摘要及关键词 MAIN TOPICS ABSTRACTS KEY WORDS Development situation and status of the technology of intelligent inverter arc welding power control LI Si qi1 WU Zhi sheng1 GUO Jian ye2 CHEN Xiao yan1 ZHANG Shi liang1 1 College of Material Science and Engineering Taiyuan University of Science and Technology Taiyuan 030024 Shanxi pro China 2 Taiyuan Nebula Welding Equipment Co Ltd Taiyuan 030024 Shanxi pro China P1 3 Abstract Arc welding power source was the core of welding equipment The development of arc welding power played a very important role in welding field The quality of arc welding power control system which directly affected the parameters of arc welding power source in the reaction speed and efficiency Therefore the control designed had made a great impact on power source system A brief introduce about the background of inverter arc welding power source was described in this paper The present situation of intelligent control system of inverter arc welding power source was discussed The research and application on fuzzy control network control vision sample and embedded software of arc welding inverter supply was presented in recent years Development tendency of arc welding inverter supply would adopt new methods accurate sampled date scene systems varied control algorithms friendlier man machine interface and realize personification of inverter arc welding power source Key words intelligent inverter arc welding power control Microstructure characteristic of SS304 BNi 2 SS304 butt joint by high temperature brazing ZHU Guo rong1 CHEN Hu1 GONG Jian ming2 TU Shan dong2 1 Ningbo Special Equipment Inspection Institute Ningbo 315020 Zhejiang pro China 2 College of Mechanical and Power Engineering Nanjing University of Technology Nanjing 210009 Jiangsu pro China P4 8 Abstract The microstructure characteristic of SS304 BNi 2 SS304 butt joint was analyzed by high temperature brazing through the experimental research Some typical microstructural morphologies and phase transition feature of the butt joint were studied by using ternary phase diagrams and EDS analysis The critical effect of element diffusion on isothermal solidification of brazed joint was also discussed by analyzing the microstructural evolution The results showed that the quick diffusing of boron from the liquid filler alloy into solid base metal controlled the isothermal solidification process as well as the joint microstructure Four typical characteristic zones could be observed for the whole brazed joint The fillet quality played a very important role in the whole joint performance Key words microstructure brazed joint diffusion high temperature brazing process effect Numerical simulation of rotating arc welding
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