基于有限元分析钢板焊接温度场的影响因素

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基于有限元分析钢板焊接温度场的影响因素本文由mryoung7贡献pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。236文章编号：1001-3997（200811-0236-02）机械设计与制造MachineryDesign＆Manufacture第11期2008年11月仉传兴1肖汉斌2（１武汉理工大学港口装卸技术重点实验室，武汉４３００６３（２武汉理工大学物流工程学院，）武汉４３００６３）FactortoweldtemperaturefieldsofarmorplateonfiniteelementsimulatedanalysisＺＨＡＮＧＣｈｕａｎ－ｘｉｎｇ１，ＸＩＡＯＨａｎ－ｂｉｎ２（１ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＴｅｃｈｎｃｌｏｇｙＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆｔｈｅＰｏｒｔＨａｎｄｌｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）ＬｏｇｉｓｔｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ４３００６３，Ｃｈｉｎａ）（２ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，【摘要】利用ANSYS软件的APDL语言以及单元“死活”技术模拟焊接的填充过程，较好的模拟 焊接加热过程及整个温度场的瞬态变化并实现了参数化编程；利用有限元分析软件ANSYS对钢板焊接温度场进行动态模拟，建立高斯函数热源模型，对各项焊接参数的合理选择和优化提供有效的参考。关键词：焊接温度场；有限元分析；参数化编程【Abstract】Besides，AnsysParameterDesignlanguage（APDLthe）andthetechniqueofdeath-birthelementwereappliedtosimulatetheprocessofweldfilling.Theinstantaneoustransformationofthewholetemperaturefieldandheatingweresimulatedverywellinthecourseofweldingandtheparameterdesigntheprogramwasachieved.ItsimulatedtemperaturefieldsinbaseofANSYS，finiteelementanalysissoft－ware，establishedaheatsourcesmodelwithGaussianfunction，lastitassistpeopletochoosetheandatrightweldingparametersinweldingeffectively.Keywords：Temperaturefieldsofwelding；Finiteelementanalysis；Parameterdesignprogram中图分类号：TH16，O241.82文献标识码：A泊松比、弹性模量（N/m3、）热膨胀系数（1/℃、）屈服强度（MPa、）熔（℃等参数；焊接模拟属于典型的非点）（℃以及工作的初始温度）线性瞬态分析，而如今许多材料的热物理参数并不齐全，特别是在高温区接近熔化状态时还是空白；并且，某些参数如热导率和比热容，虽然随温度的变化而变化，但由于焊接过程中塑性应变的产生，使得其变化的结果与变化的过程相关，有时二者随温度变化的方向甚至相反；为解决这一问题，可以在ANSYS中输入材料在典型温度值的热物理性能参数，建立相关参数的工程数据库，而对于那些未知温度处的参数可以通过插值法和外推法来确定。 数值模拟技术可以节约大量实验费用，有效缩短机械产品的优化工艺的预测和控制技研制和实验周期，是一种高效低成本、术；焊接温度场是进行焊接力学分析的基础，温度对材料的力学性能有显著影响，很多材料参数是温度的非线性函数，焊接热过程直接决定了焊缝和热影响区焊后的显微组织、残余应力与变ANSYS作为融结构、流体、热、电磁、声学于一体的大型通用形；有限元分析软件，它提供的热分析、非线性结构分析以及两者之间的耦合场分析功能确保了焊接模拟的实现，而且大应变/有限转动功能和ANSYS参数设计语言（APDL的扩展宏命令功能的）实现，大大降低了设计计算时间。2.2确定单元类型有限元法的第一步就是将一个连续体简化为由有限个单元组成的离散化模型，也就是有限元模型，它由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定载荷，而节点是空间中的坐标位置，具有一定自由度并存在相互物理作用，有限元分析就是求解节点处的自由度值，温度场分析时单元的自由度是温度；在焊接温度场分析中，单元确定还要考虑到以下几个因素：首单元必须先研究对象为三维模型就不得不考虑Z向变化的情况，为三维实体单元；其次要能进行热分析；最后所用单元还应能够进行瞬态非线性分析。根据这些要求试件钢板模型选用solid70单元和solid90单元。具体而言，在焊缝区和远离焊缝区确定选用solid70单元，而在二者之间则选择solid90单元过渡。１理论依据焊接过程属于瞬态传热过程，在这个过程中系统的温度、热流率、 热边界条件以及系统内能随时间都有明显变化；对于任何一种固体材料，假定其求解域V∈R3，V内任何一点的瞬态温则（x，z，）度Ty，t应满足如下微分方程[1]：ρc=坠T=坠（λ坠T）坠（λ坠T）坠（λ坠T）（t叟0（1+++Q））坠t坠x坠x坠y坠y坠z坠z式中：y，t—热源强度；Q（x，z，）λ—导热系数；ρ—材料密度；c—材料比热。２焊接温度场的简化2.1材料特性参数进行焊接温度场分析必须确定的热物理性能参数有：导热系·）对流系数（W/m·）密度℃、（Kg/m）比热、（J/Kg℃）·、数（W/m℃、332.3生死单元技术在接焊温度场分析的过程中，随着焊缝的产生，焊接材料就＊来稿日期：2008-01-28第11期237不断填充在焊缝中，因此，焊缝所在的某些单元在焊接开始的时候并不存在，而是随着焊接过程的进行不断产生的，要真实的再现这一过程就必须用到ANSYS中的“生死单元”技术；单元的生或死是指如果模型中加入或删除材料，模型中相应的单元就“存在”“消亡”单元生死选项就用于在这种情况下杀死或重新激或，活选择的单元； 用户必须在PREP7中生成所有单元，包括后面要被激活的单元，在求解器中不能生成新的单元，“加入”要一个单它，元，“杀死”然后在合适的载荷步中重新激活它。先显而易见，焊缝所处的单元需要用到“生死单元”技术。在建模时，这一部分单元与其它单元同时考虑，在温度场计算开始的“杀死”随着焊接的进行，，再逐步将这部分时候先将这部分单元单元“激活”试件钢板模型相关程序如下：；vsel，，1s，，nslv，vr，s，allesln，v，all所有的单元!!ekill，!!“杀死”allsel???nsel，loc，0，s，x，0.01nsel，loc，0，r，y，0.005esln，v，s，allealive，!!选择单元进行all“激活”!!程实现这一动态过程；首先将空间上连续的运动在ANSYS中转化到离散的时间域中，通过设定一定的时间步长，然后利用*DO－*ENDDO语句循环加载就可以了；假设手工电弧焊的焊接速度为v=m/s，而被焊工件长L=m，则完成一条焊缝所需时间t=L/vs。施加载荷时，将时间t离散化，即将t分成n等份并且在某一等份中所施加的载荷相同，这一思想可以通过ANSYS中TIME这一命令来实现；在ANSYS中，TIME命令用于指定在瞬态或静态分析中载荷步结束的时间，它如同程序追踪器，监视整个加载过程。试件钢板模型相关程序如下：*do，1，i，L/v/n，循环开始!!1!!cmsel，node1s，all，sfdele，hfluxallsel???cmsel，node2s，node1，nodecm，all，q1/p*r1*r1!!施加载荷!!sf，hflux，???time，time1nsubst1nsubst， solve!!求解!!!*enddo!!循环结束!!2.4确定热源模型焊接热源具有集中、移动的特点，易形成对空间和时间梯度都很大的不均匀温度场，而正是这种不均匀温度场是形成焊接残余应力与变形的根本原因；因此，焊接热源模型的建立与焊接温为了正确描述焊接热循度场的模拟是焊接数值模拟的重要部分。钨环过程，人们提出了一系列的热源计算模式：对于手工电弧焊、极氩弧焊等焊接方法，采用高斯分布的函数就可以得到比较满意的结果。目前，对于各个力的大小的具体求解并没有统一的公式可言，一般用试验或实际生产所得出的经验公式；针对本文钢板模型的焊接特点，采用表面高斯热源，其分布的热流函数[2]为：2q）3qexp3r）（r=（（2）軍軍R2πR2軍R式中：q—输入热量；—电弧有效加热半径；—点距离电弧加热r中心长度。具体热源模型，如图1所示。q３模型结果的分析试件模拟钢板的焊接过程，采用焊条电弧焊接，焊接电流180A，电弧电压U=20V，焊接热效率η=0.7；由于焊接钢板对称只对一半的对象建模，初始条件焊接速度为10mm/s，钢板长度150mm，厚度6mm，（焊缝长度40mm。如图2所示，宽度）为模型网格划分结果。始焊接条件下不同时段的温度云图）显示了（略，焊接过程中的不同时段的温度变化情况，可以看到运用高斯热源“生死单元”准确的动态模拟了整个焊接变化过程。并通过 图２有限元网格划分通过改变钢板模型APDL程序中的焊接速度v、（）焊件厚度h、（）焊缝长度）（L等因素分析这些因素对焊接温度场的影响。Oyqm在不改变其它初始焊接条件的情况下，分别采用与原来焊接速度成倍数变化的两种速度进行模拟，分析模型中同一点的温度变化曲线（图略；）可以看出随着焊接速度的变化，最高温度值基本成反比例变化（v=5mm/s时约为720℃，=10mm/s时约为v360℃，v=20mm/s时约为180℃而温度变化曲线形状基本相同。）如图3所示，在初始焊接条件下，模型中同一位置不同厚度处的温度变化曲线；从曲线变化可以看出在焊件的不同厚度处焊x图１高斯热源模型2.5移动热源的处理显而易见，随着焊接过程的逐步进行，热源也随之在被焊工件上方不断的向前移动，可利用ANSYS软件中的APDL语言编238文章编号：1001-3997（200811-0238-03）机械设计与制造MachineryDesign＆Manufacture第11期2008年11月基于小子样的发动机/ISG组合系统的可靠度综合评估*2张世义1，胡建军1 （１重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆４０００４４（２重庆交通大学，）重庆４０００７４）Reliabilitysynthesisevaluationofengine/ISGcombinedsystembasedonthesmall-sample２ＺＨＡＮＧＳｈｉ－ｙｉ１，，Ｊｉａｎ－ｊｕｎ１ＨＵ（１ＴｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓ，ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００４４，Ｃｈｉｎａ）Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００７４，Ｃｈｉｎａ）（２ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，【摘要】通过系统模糊不可靠度以及影响系统失效模式可靠性的一些参变量（因素，）推导出系统不可靠度综合公式，然后利用所提出最优分布拟合方法、Bayes方法对系统进行可靠度估计，Bayes点估计即和置限下限。以某型发动机/ISG（IntegratedStarter/Generator组合系统为例，）在其故障模式组成结构的基础上利用Matlab软件对系统可靠度综合公式中各随机变量取值进行随机模拟仿真，仿真结果表明所提出的方法可行、可信。关键词：模糊不可靠度；最优分布拟合；Bayes估计；随机模拟仿真【Abstract】Systemunreliabilitysynthesisformulaisdeducedfromsystemfuzzyunreliabilityandsomereliabilityvariablesaffectingsystemfailuremode，thenthemethodsofoptimumdistributionandBayesareputforwardtodothesystemreliabilityevaluationofpointandcrediblelower limit.Takinganengine/ISGcombinedsystemforexample，basedonitsfailuremodeconfiguration，eachofrandomvariablesvaluesinsystemunreliabilitysynthesisformulaissimulatedwiththesoftwareMatlab，simulationresulttheshowsthemethodputforwardisfeasibleandcredible.Keywords：Fuzzyunreliability；Optimumdistributionfitness；Bayesestimation；Randomsimu－lation中图分类号：TH16，TB114.3文献标识码：A在小子样数据情况下，如何对复杂系统进行可靠性统计分析，对建立在小子样数据分析基础上的可靠性理论来说，是一个很有难度的问题。寻找在小子样数据条件下进行科学有效的复杂系统可靠性分析方法，现己成为可靠性研究中的一个新的而又很＊来稿日期：2008-01-05＊基金项目：重庆市自然科学重点项目（8718，）教育部长江学者奖励项目接最高温度出现的时间基本成倍数变化（h=3mm处约为5s，h=6mm处约为11s而其值的大小却不成简单倍数关系变化（h=）＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊变化不大，说明改变焊缝长度对焊接温度影响不大。3mm处约为1070℃，h=6mm处约为360℃，而且距离加热中心）越远的位置其曲线变化越平缓。温度）（℃１２５０１１２５１０００８７５７５０６２５５００３７５２５０１２５００２０温度）（℃４００ ３５０３２０２８０２４０２００１６０１２０８０４００８０１０００２０时间）（ｓ４结论本文对有限元方法在焊接温度场中的应用进行研究，主要说明了利用ANSYS软件模拟焊接温度场的关键环节；最终以钢板电弧焊为实例用参数设计语言（APDL建模，）并灵活的改变焊接参数，分析了焊缝尺寸、焊件厚度、焊接速度等因素对钢板焊接温度场的影响，得出了这些因素对焊接温度场影响的一般规律；建模模拟结果与实际情况基本吻合。参考文献４０６０８０１００时间）（ｓ４０６０１拉达尹等著．熊第京等译．焊接效应温度场残余应力变形．北京：机械工业出版社，１９９７２张文钺．焊接传热学．北京：机械工业出版社，１９８９３汪建华，戚新海，钟小敏．三维瞬态焊接温度场的有限元模拟．上海交通大学学报，１９９６，（３：３０）１２０～１２５４康国政，谭长建，张娟等．ＡＮＳＹＳ高级工程应用实例分析与二次开发．北京：电子工业出版社，２００６（ah＝３ｍｍ）（bh＝６ｍｍ）图３焊件不同厚度处温度曲线在不改变其它初始焊接条件的情况下，分别两种不同的焊缝长度进行模拟，分析模型中同一位置点的温度变化曲线（图略；） 从图曲线可以看出焊缝长度在相差不大的情况下对同一点温度本TXT由“文库宝”下载:http://www.mozhua.net/wenkubao