基于ANSYS的焊接參數(shù)對其溫度場的影響分析

2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓中心-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其焊接溫度場的影響。經(jīng)過計算表明: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)論對焊接優(yōu)化控制參數(shù)有著重要的指導意義。
作者: 張洪才來源: e-works
關(guān)鍵字: CAE ansys 焊接溫度場

1 引言
焊接溫度場的準確計算或測量,是焊接冶金分析和焊接應力、應變熱彈塑性動態(tài)分析的前提。關(guān)于焊接熱過程的分析,蘇聯(lián)科學院的助Rykalin院士對焊接過程傳熱問題進行了系統(tǒng)的研究,建立了焊接傳熱學的理論基礎。為了求熱傳導微分方程的解,他把焊接熱源簡化為點、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解的影響。實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致傳熱過程嚴重的非線性外,還涉及到金屬的熔化、凝固以及液固相傳熱等復雜現(xiàn)象,因此是非常復雜的。由于這些假定不符合焊接的實際情況,因此所得到的解與實際測定有一定的偏差,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其溫度場的影響。為實際的焊接工程了提供了一定的指導意義。
2 模型建立與計算討論
模型尺寸為100mm×50mm×6mm,材料為20號鋼,電弧沿焊件中心移動。由于模型的對稱性,本文只選取半模型進行計算,其有限元模型圖圖1所示。

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本文使用solid70單元來模擬焊接過程的動態(tài)溫度場,為了提高計算的精度又要節(jié)省計算時間,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計算參數(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。

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本文采用高斯熱源來模擬電弧,現(xiàn)將高斯熱源簡述如下:焊接時,電弧熱源把熱能傳給焊件是通過一定的作用面積進行的,這個面積稱為加熱斑點。加熱斑點上熱量分布是不均勻的,中心多而邊緣少。費里德曼將加熱斑點上熱流密度的分布近似地用高斯數(shù)學模型來描述,距加熱中心任一點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算焊接溫度場時應用較多。在電弧挺度較小、對熔池沖擊力較小的情況下,運用這種模型能得到較準確的計算結(jié)果。
下面給出了給定熱源半徑和焊接速度時,各考察點的溫度與時間的關(guān)系圖。

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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時的1-8點的溫度與時間的關(guān)系。從圖中可知:焊縫中心處各考察點的溫度變化規(guī)律基本相同,只是和高斯熱源運動的時間有關(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點溫度最高,且在100s四個點的溫度基本相同。
圖5和圖6給出了熱源半徑為0.006m;焊接速度為5mm/s時的1-8點的溫度與時間的關(guān)系。由圖可知:各點的溫度變化規(guī)律與熱源半徑為0.007m;焊接速度為5mm/s時的1-8點的溫度與時間的關(guān)系基本相同。但其溫度最高值要比其高大約300度,由此可以推斷當其他條件不變時高斯熱源的有效半徑減小,其溫度的最高值會明顯增加。

5 R=0.006V=0.0051-46 R=0.006V=0.0055-8 基于ANSYS的焊接參數(shù)對其溫度場的影響分析 +應用技術(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時的1-8點的溫度與時間的關(guān)系。由圖可知:各點的溫度變化規(guī)律與熱源半徑為0.007m;焊接速度為5mm/s時的1-8點的溫度與時間的關(guān)系基本相同。但其溫度最高值要比其低大約300度,由此可以推斷當其他條件不變時焊接速度增大,其溫度的最高值會明顯降低。
3 結(jié)論
通過以上分析和計算可以得出以下結(jié)論:
(1)ansys可以很好的模擬和計算焊接過程的動態(tài)溫度場。
(2)當其他條件不變時焊接速度增大,其溫度的最高值會明顯降低;當其他條件不變時高斯熱源的有效半徑減小,其溫度的最高值會明顯增加。

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