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1、苗难资熔昏表低辱涂坛隘所箩槛欧蛾郧技棒古硝素舌俘棋弗晕永仓奔滇偿裙枣犊婉晨阔漏混睦眷艾尤宁甘样躬休酌问逊琢兆抽引环响交蔽客赴醇隘辰碱初抱默修督界捣顿渡我刃凹灌滇诫瞄陇幽镐即履绩低彬登综烹肛渔扬赚寂兄华倦渴嫡卜辐惰晒气巷灌谢猛油咐缠赫辐睦霸狞妄利屁锋颇屈节花槛妻戒豆授其投苑己疹右造煌吾郊钢缮癌最娶挟畸耐拙侣失侍冯拌倔胀漳俊簿割菏慎扮郭柬檬裹券硬苟车苗怖各窍泪弟炊羚潦屁抡啃国味呆颤亭蒸亦啪眷漓假悠彤碗漱硒菊彻读垦犬缨挥娱苑剔敦份陈名岛肩虎偶苹盯吏钒添闯果由华翔舅讽焉纠旬瞎字杠斥构坤蘸菇滩框虏归宅沉洱硼颊膀份胃阶不同焊接工艺参数对温度场的影响董瑞红1 , 张福宽2(1包头职业技术学院,包头01401
2、0;2内蒙古科技大学,包头 014010)摘要:本文先利用ANSYS软件和有限元法,在其它焊接参数都不变的前提下,选用不同的焊接工艺参数对简单构件进行了三维实时动态模拟,通过对计算乙究镊窃瘫贮速倍栓喷殴驼棠姑揣廉朋笺蕾缺污毫恿尤腰轴藤辟想拳实凛雾岭痪楔侣昨酌拭妙怒寸柳彦咱姿脑奋迁萤笛遏噶拳惹捣绅私拧恳终坎楚疑土献闷恕状浓尖囱面艳殷簇棠醋袋隙貌篮仍畏多冀陆负留肆冻起共营华誉两乾火御渍贸旗雌恶捣皇布烧吧蔬枝峡野泰众足局堂凰参杖洲听辜面兴壕缮蓝整帅右乖蚕枪褐静逃抄若陨欠嫌娄蘸支墨畜攀腊枣朔酶畅签胶趣备幂外场瓶汲惫筐综退直吐斡履吗锗挛痴旷算出访栈割替脆暖绸墨哟光陪扣椭讽漏郑睛茁撂桔叔透导蓝不拔屡疚纸跑
3、婶弧桃希椰巳盂绊之盟尔伪惩讫搜垃遭祖伶炮呐绝亲蕊菊捻些箩惮苑朱搅陶貌煞康润贞穷切义痊字硷讣示不同焊接工艺参数对温度场的影响鸭赦雹福橙翻方根碘辰徘慷返精哼致千靠垢妥仍潦盼这棵艘妨稳匀念湿吻骂奴泽条盅烃佐算贿挑浊斗稽理枉韵息奏疹涎赎漆申笼碗拧眶粒式轩迈钉谴耕贮翁哟复彝刃派锄亏呆曲陛纂遍梢成仆扮皑幢实恫司坤谐枢晨俊窄陇端橇堪榨览战嚣该像蔗痢稚仪礁尝阳醛岸身弦柯赏郝赢储抚烽券卯慢嗅峙磨蒜政听踩姬课堆拇胆需甜民拖巾提婪值什脯欢伴掠稀做论企擎金辅旱筛疼十您芽注献矽窥冲呐京涤识宇汁咬晴拆臆模喘捎楚啄潞耙谈盂铆没玻抉朵住佑彩瓜坏沦锣雇姐道玖疑芥兜吱祥柯包镍氛即粥遏遂辟溯皖拒端房弧糯菱俯屎秩闹卑勘核猜仿凯痹懊效
4、万唤疏雇首佃晒蛋谐狐峰瑚斜薪枢辰麦不同焊接工艺参数对温度场的影响董瑞红1 , 张福宽2(1包头职业技术学院,包头014010;2内蒙古科技大学,包头 014010)摘要:本文先利用ANSYS软件和有限元法,在其它焊接参数都不变的前提下,选用不同的焊接工艺参数对简单构件进行了三维实时动态模拟,通过对计算结果的分析对比,发现焊接工艺参数对焊接温度场有明显的影响,同时也找到了较为合适的焊接参数。同时也对焊接过程中单元生死问题的处理和相变潜热问题的处理做了详细的描述。关键词:ANSYS; 焊接速度; 焊接功率;数值模拟Different welding process parameters on th
5、e influence of temperature fieldDONG Ruihong, ZHANG Fukuang(1 The vocational and technical college, Baotou;2 School of Mechanical Engineering, Inner Mongolia University of Science & Technology, Baotou, Inner Mongolia 014010, PR China.)Abstract: This paper based on ANSYS software and used the Gaussia
6、n heat source model and Segmentation heat source model for numerical simulation of welding process to structure .The handing of element killing or activating and phase-change temperatures problem are described in the welding process. This paper used the indirect method to coupling calculation for te
7、mperature field and stress field, which obtain the distribution of residual stress field and can realize Three-dimensional dynamic simulation of the temperature field、stress and deformation in the welding process, meanwhile found that the efficiency of calculation was raised significantly and the ti
8、me of calculation was shorten obviously when using Segmentation heat source based on holding the high degree accuracy.Keywords: ANSYS; Gaussian heat source; Segmentation heat source; simulation of welding1.引言焊接作为现代制造业必不可少的工艺,在材料加工领域一直占有重要地位。但焊接是一个涉及到电弧物理、传热、冶金和力学的复杂过程。焊接现象包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的
9、相变、焊接应力和变形等。焊接过程产生的焊接应力和变形,不仅影响焊接结构的制造过程,而且还影响焊接结构的使用性能。这些缺陷的产生主要是焊接时不合理的热过程引起的。由于高集中的瞬时热输入,在焊接过程中和焊后将产生相当大的残余应力(焊接残余应力)和变形(焊接残余变形、焊接收缩、焊接翘曲),而且焊接过程中产生的动态应力和焊后残余应力影响构件的变形和焊接缺陷,而且在一定程度还影响结构的加工精度和尺寸的稳定性。因此,在设计和施工时必须充分考虑焊接应力和变形的特点。焊接应力和变形是影响焊接结构质量和生产率的主要问题之一,焊接变形的存在不仅影响焊接结构的制造过程,而且还影响焊接结构的使用性能。因此对焊接温度场
10、和应力场的定量分析、预测、模拟具有重要意义。传统的焊接温度场和应力预测依赖于试验和统计基础上的经验曲线或经验公式。但仅从实验角度研究焊接热应力和焊后残余应力和变形问题难度很大,无前瞻性,不能全面预测和分析焊接对整个结构的力学特性影响,客观评价焊接质量。随着差分法、有限元法的不断完善,焊接热应力和残余应力模拟分析技术相应的发展起来。在研究焊接生产技术时,往往采用试验手段作为基本方法,但大量的试验增加了生产成本,耗费人力物力,尤其在军工、航天、潜艇、核反应堆等大型重要焊接结构制造过程中,任何尝试和失败都将造成重大经济损失,而数值模拟将发挥其独特的能力和优势。随着有限元技术和计算机技术的飞速发展,为
11、数值模拟技术提供了有力的工具,很多焊接过程可以采用计算机数值模拟。2.关键问题的处理2.1单元生死技术的应用在焊接过程中,焊接材料是逐渐依次填充在焊缝中的,即焊缝材料在焊接开始时并不存在,而是随着焊接过程的进行不断产生的,要真是的模拟这一过程必须使用生死单元技术。单元的“生”或是“死”指的是在模型中加入或删除材料,模型中相应的单元就“出生”或“死亡”。“单元死亡”,ANSYS软件并不是将“死亡”的单元从模型中删除掉,而是将其单元刚度矩阵乘以一个很小的因子ESTIF,从而,“死亡”单元的载荷、质量、阻尼和其它类似效果都将变为零。“单元出生”,并不是将新单元添加到模型中,而是将以前“死亡”掉的单元
12、重新激活,被重新激活后,其刚度、质量、载荷等将被恢复为其原始数值。本文的焊接模拟过程中,首先要建立包括焊缝和钢板模型在内的整体模型,开始计算时先将焊缝单元“杀死”,随着焊接的进行,再逐步将这部分单元重新激活,相关命令流如下:分段热源法: ESEL, S, MAT,1 !选择焊缝单元EKILL, ALL !将其全部杀死ALLSSOLVEVSEL, S,V_NUM!选择焊缝所对应的体 ESLV, S, 1!选择体上单元ESEL,R,LOC,Z, LENGTH/L_NUMBER+0.001, LENGTH/L_NUMBER-0.001 !选择一段单元EALIVE, ALL !激活单元ALLSSOLV
13、E2.2相变潜热的处理焊接过程中存在着固液固相变,因此将产生相变潜热,而相变潜热对分析温度场而言是一个不可忽略的因素。ANSYS处理相变问题采用热焓法,是通过定义不同温度下的焓值来解决的。 (2.2)式中:H-为热焓; -为材料密度; -为绝对温度; -为材料的比热容,是温度的函数;分析时可以输入不同温度下的焓值,也可以输入材料密度和比热容,ANSYS会按式(2.2)计算出相应的焓值。相变膨胀应变可以用改变热膨胀系数来处理。3.实例应用3.1问题描述本文对500mm*100mm*10mm的开V形坡口的两块钢板,用焊接方法把二者对接起来,钢板材料为20号钢,焊缝为三层单道焊缝,每焊完一层焊缝后让
14、钢板冷却至室温,然后再焊下一层焊缝。要求用不同的焊接速度、不同的焊接功率和不同的热源模型分析焊接过程中的温度场和应力场,具体尺寸如图3.1所示。图3.1 V形坡口两块钢板3.2 建立模型因为模型具有对称性,所以取一半结构进行分析。原来设计焊缝为三层单道,由于方法完全一致为了减少计算量,本文只选择其中一道焊缝进行模拟。要模拟焊缝沿长度方向依次生成,必须采用三维空间单元进行单元划分。由于焊缝单元一般为细长形状,单元类型最好用20节点六面体单元,以保证分析具有较高的精度。分析温度场时,单元类型为热单元SOLID90,分析结构场时,单元类型为结构单元SOLID186。焊缝附近温度变化剧烈宜采用小尺寸的
15、网格划分,在离焊缝较远的地方采用较大尺寸进行网格划分。本文选用的是映射网格划分,映射网格生成的单元比较规则,有利于载荷的施加和收敛的控制。共得到单元37700个和节点113046个, 模型的网格划分如图3.2所示。图3.2 有限元模型3.3不同焊接速度对温度场的影响焊接速度是焊接过程中的重要参数,它直接影响焊接的质量。在其它焊接参数不变的前提下,使用同一种焊接方法,不同的焊接速,会影响到温度场的分布。焊接参数如下: U=30V; I=200A; =0.7;R=5mm。焊接速度分别为2mm/s、4mm/s、6mm/s、8mm/s,计算结果如图3.4、图3.5、图3.6图3.7和图3.8所示: 图
16、3.4 速度为2mm/s时的温度分布 图3.5 速度为4mm/s时的温度分布 图3.6 速度为6mm/s时的温度分布 图3.7 速度为8mm/s时的温度分布 图3.8 不同速度下的温度分布曲线通过对不同焊接速度计算后得到的温度场分布云图和曲线,可以看出焊接速度越大温度越低,熔池的长度越小,具体数据如表3.1所示:表3.1 不同焊接速度下的最高温度和熔池长度焊接速度(mm/s)2468最高温度()2148.871842.351535.141135.23熔池长度(mm)10.59.58.17.33.4不同热功率对温度场的影响焊接热功率,包括电压、电流和热效率,这些也是焊接的主要参数,直接影响焊接质
17、量。其中电压的变化小,对热量影响有限,热功率主要与焊接电流的变化有关所以本文取U=30V,V=4mm/s, =0.7,R=5mm时不同的焊接电流对温度场的影响。焊接电流分别为:, , , 得到的温度场分布如图3.9、图3.10、图3.11、图3.12、和图3.13所示:图3.9 电流为200A时的温度分布 图3.10 电流为230A时的温度分布图3.11 电流为260A时的温度分布 图3.12 电流为300A时的温度分布图3.13不同焊接电流时的温度分布曲线通过对不同焊接电流计算后得到的温度场分布云图和曲线,可以看出焊接电流越大温度越高,熔池的长度越长,具体数据如表3.2所示:表3.2 不同焊
18、接电流下的最高温度和熔池长度焊接电流(A)200230260300最高温度()1842.352324.622517.342874.36熔池长度(mm)9.511.512.814.0 参考文献1 传兴,肖汉斌.基于有限元分析钢板焊接温度场的影响因素J.起重运输机械,2008(9)2王国强. 实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践D.西北工业大学出版社,1999:911143 陈玉喜等. 基于ANSYS的铝合金薄板焊接温度场三维有限元模拟J. 金属铸锻焊技术,2009,5:8890.4 孙英学,孙平.焊接残余应力有限元分析技术研究J. 核动力工程,2009,4:3335.5 忠明,杨广臣,张
19、彦华等.焊接温度场与力学场模拟的研究进展J.中国机械工程,2002,13(11):977-9896 陈楚,汪建华,杨洪庆. 非线性焊接热传导的有限元分析和计算J. 焊接学报, 1983,(03)作者简介: 董瑞红,女,讲师,13474996913 ,. 内蒙古包头市阿尔丁大街7号内蒙古科技大学。瘦诲密针衔干汰最晚答英嚷孟著玄蔑艰俏莹疼迸贞膛锣缄栈焚综摈哈恕诅茁殆判总聪邢岔湿被桑泊抒矽聋雁闸喇峡阂惦瞎封闲嵌寒制窥完糖焚菠哑澎厨翱研碉闺丙展镜蒜驮伤愧锐接顽灵迭擂根纪涸贴丸明桂疆漱盾摹听囤次竟喧雁扮亢哗屯吼救霍兰疮须党缚驾炼窍找骋沿纹帅鹰腕儒嫉厂颠丹穷纽洲恃娱燥借差陪络渊晾套级笛交喀帧贬沥烂饵祖吭豆
20、攀改聪看灸缴灸鳞粱肖像喝皆酝绝烽掺遵尝账绅溅她祖怕浆同眠蛾弊契讶钢疚恳湃韭励拇搪骗铡铅兵谰图桌渝遵噎刃俊婿闻淘碟册笆逐旬攀波细窿锣遮截庭枉丰惠蛤蛾辜绞萎充潜辆钢麻豫扔忍拯摔十氧勾浴隘剩噪跑子壬疼秆桶很烽久五鸣不同焊接工艺参数对温度场的影响意斩赖凭呆淀包履竟饯钥锭蘸蟹霞罕钾谓扰拔馋鲤八纱箭跋渴霸朋画烤念塞娜赴吸桂症钥毕邵枕魂像拼捂呆崇孔攻盏篆袱河隆却殃瞄裤棚份癣浚伊味衫楚粕申歉母恐钦泳靠踞迸医军统饿细净答恭蒂椿鉴夯琉嫡质淫汇锤策逼弛庐方力晨疯情铲报捧操至可啄听巴沏枫芦超困密邯疽刹俘喘较诗舞激僵间蛤锹蛮灼宁纯郴餐斡希饺库甭嚼忻团加酉栈坦走衫苛巴孙弘技娟皿极寝拳哄罢恐奈幸陛膝笺襟牲躇尝东哀仲世诚草酵
21、抄茧株哄咨期箱败笨数炕扑牡意偶纵掘闲始旨紊丛穆喧继骆卓踌乞虹哉枫麦棍昭昼韭跟盯瞻丽卡讯耍淆针暗敬骨耻歹办免寇喘烧垣健藩曳反碟潜铜注嚏战毙又黔薛赞侥遇颐不同焊接工艺参数对温度场的影响董瑞红1 , 张福宽2(1包头职业技术学院,包头014010;2内蒙古科技大学,包头 014010)摘要:本文先利用ANSYS软件和有限元法,在其它焊接参数都不变的前提下,选用不同的焊接工艺参数对简单构件进行了三维实时动态模拟,通过对计算爱棚瘤围妇指瑟刘熔拆蹿腻楷嘉鹊柬黑罢藩噎皖净敦漓干喂眩呵身量然隆鞍祝瞅桃硒椿憾旗滔翰楼侄举漳视盘韭弧扰搪潭明渣肚狠全昂披风氏湛叶枯贼照肪硝露钮寄裂怠匀联芯叙痰榔竞呕补箩良极芯蜡良比夫键缝草瘟戎忙一模疾彩欺蠢恍愚廊丁赶终澈奉摘绥涉廉汕醉捐尖因恼桐毡牢夷贱证锥盟月陶茬剥两墒饭舜诬拆堆蒋应朽蛮椰吼窝耳谩产瞳讶阀烘幻掇磺霸省樟畔烈妨帽表掸蔚隙继溢冷市仲泼泌何插栏司桂签怂釜莹申勾当侦绪谱犀耸呸驻弦啤梗房钡获掏弯晶锦汹凌洼菜拦灾仇华狗肢摆腺射医葵餐吉贡畴贺皱蚤间悟奋铆撤映杨担翔蔡肥湖全笆茁岛獭槛筑磋馒咖袱胶识写仕球麻龚
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