廖敦明《有限差分法基础》第8章.ppt
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1、第八章 焊接成形过程中的FDM温度场数值模拟 FDM based temperature simulation in welding forming,庞盛永 副教授 Tel: 027-87557794 E-mail: ,主要内容,2,3,4,5,数学模型的建立与分析,基于FDM的焊接温度场数值模拟,应用实例,焊接过程温度场特性,1,焊接知识回顾,8.1 焊接知识回顾,1. 焊接的定义,通过适当的手段(通常为加热或加压), 使两个分离的物体产生原子间的结合而连成一体的连接方法。,2. 焊接应用,可焊材料:钢、铝、铜、钛等大多数金属材料;塑料、复合材料、碳纳米管、甚至肌肉等非金属材料。,应用领域:
2、机械制造、造船、海洋开发、汽车制造、机车车辆、石油化工、航空航天、原子能、电力电子技术、建筑及家电行业。,8.1 焊接知识回顾,2. 焊接应用,南京大胜关大桥,特点:世界上行车时速300公里级别中跨度最大,载重最大的桥梁。京沪高铁。 焊接材料:Q420qE, Q370qE, Q345qD 武钢生产 焊接方法:手工电弧焊、气体保护焊、埋弧焊。,8.1 焊接知识回顾,2. 焊接应用,F22 战斗机,特点:世界上第一款服役的四代隐形战斗机。 焊接材料:钛合金 焊接方法:电子束焊接。,8.1 焊接知识回顾,3. 焊接方法,压力焊,电阻焊,超声波焊,钎焊,火焰钎焊,电阻钎焊,感应钎焊,电子束钎焊,8.2
3、 焊接过程温度场特性,1. 焊接热过程,在焊接过程中,被焊金属由于热的输入和传播,而经历加热、熔化(或热塑性状态)和随后的连续冷却过程。,2. 温度场的重要性,决定了熔池的形状、尺寸和停留时间,决定了熔池冶金反应的程度,影响熔池金属的凝固、相变及热影响区的组织转变,产生应力和变形,8.2 焊接过程温度场特性,2. 温度场的重要性,在温度场作用下,受冶金、应力和被焊金属组织的共同影响,可能产生裂纹和其他缺陷,输入热量及其效率决定了母材和焊丝的熔化速度,因而影响焊接生产效率,焊接热过程决定了焊接的质量和效率!,8.2 焊接过程温度场特性,3. 焊接过程温度场的特征,局部集中性。热源范围仅集中在加热
4、直接作用点的区域,加热和冷却极不均匀。,热源运动性。热源相对于焊接工件是运动的,受热区域不断变化。当热源接近某一点时,温度迅速身高,热源远离时,该点又冷却降温。,热过程的瞬时性。加热速度极快(电弧焊达到1500K/s,高能束流焊1,000,000K/s),冷却速度也很高。,8.2 焊接过程温度场特性,3. 焊接过程温度场的特征,传热过程的复合性。熔焊时熔池内部存在着强烈的液流运动,熔池内部以对流传热为主,而熔池外部以传导传热为主,还存在这对流换热和辐射换热。,焊接过程温度场十分复杂!,8.3 数学模型的建立和分析,1. 焊接热源及热源模型的建立,(1) 定义:实现金属焊接所需的热能来源。,(2
5、) 种类:电弧热(气体介质中的电弧放电),化学热(液化气、乙炔燃烧),电阻热,摩擦热(机械高速摩擦),激光(受激辐射的光能),电子束(高速电子的动能),(3) 热源效率:热源产生的能量并不被完全吸收,总有部分损失到周围介质中,使焊件吸收的热量小于输入能量。,电弧焊:0.770.87, 埋弧焊:0.77-0.90,MIG: 0.660.86, 高能束流焊:0.9,8.3 数学模型的建立和分析,1. 焊接热源及热源模型的建立,(4) 焊接件上的能量分布模式 根据热源作用方式的不同,可分布集中热源,平面分布热源和体积分布热源。,集中热源:把热源的热能看作是集中到某一点(点热源),某一条线(线热源)、
6、某个面(面热源)。,面分布热源:热源把热能传给焊件是通过焊件上一定的作用面积进行的。平面高斯热源和双椭圆分布热源。,体积热源:热源不光作用在表面上,还沿焊件厚度方向作用。,8.3 数学模型的建立和分析,1. 焊接热源及热源模型的建立,高斯面热源,8.3 数学模型的建立和分析,1. 焊接热源及热源模型的建立,高斯面热源,8.3 数学模型的建立和分析,1. 焊接热源及热源模型的建立,高斯热源缺点:假设热流沿加热斑点中心呈轴对称分布。实际上,由于热源的移动,轴对称假设是不成立的。,双椭圆面热源,前半椭圆,后半椭圆,8.3 数学模型的建立和分析,1. 焊接热源及热源模型的建立,对于熔化极电弧焊(MIG
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