三维瞬态小孔等离子弧焊接温度场的数值模拟

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1、山东大学硕士学位论文三维瞬态小孔等离子弧焊接温度场的数值模拟’摘要小孔等离子弧焊接温度场数值模拟的关键是建立合适的体积热源作用模式，以反映小孔效应和等离子弧热流沿板厚方向的体积分布。本文应用SYSWELD软件并对其进行二次开发，对小孔等离子弧焊接温度场进行了数值模拟．在分析SYSWELD软件自带热源作用模式的基础上，对三维锥体热源进行改进，并充分考虑等离子弧对熔池的“挖掘”作用和熔池小孔效应，提出了准稳态热源作用模式QPAW和瞬态热源作用模式TPAW，为小孔等离子弧焊接温度场数值分析奠定了基础。小孔PAW焊接温度场准稳态的数值分析结果表明，S

2、YSWELD软件所配备的双椭球体和三维锥体热源作用模式，并不适合小孔等离子弧焊接熔池及温度场的有限元分析．考虑到等离子弧热源沿厚度方向分布，本文首先提出了改进的三维锥体热源模式，可以使等离子弧焊缝正面和背面尺寸与实测结果吻合，但焊缝横断面熔合线的走向与实际有较大差别．准稳态焊接热源作用模式QPAW，考虑到了“喇叭”型小孔几何形状、等离子弧热流沿板厚的作用及其衰减特点，较为符合小孔等离子弧焊接工艺的实际情况。对SYSWELD软件进行二次开发，施加新建立的QPAW热源模式，对小孔等离子弧焊接准稳态温度场进行有限元分析，计算出的焊缝横断面几何形状与

3、实验结果吻合良好．瞬态焊接热源作用模式TPAW将熔池上半部的改进型三维锥体热源与熔池下半部的锥体热源复合在一起，模拟实际的小孔等离子弧焊接过程．将1rI'Aw添加到SYSWELD软件，分析和计算小孔等离子弧焊接熔池的瞬时演变过程，各个时刻的焊缝横断面形状与实验结果基本接近，并且达到准稳态的时间也与实验结果一致。研究结果表明，本文所建立的焊接热源模型QPAW和TPAW能较好地用于小孔等离子弧焊接过程的有限元分析．关键词：等离子弧焊接，小孔，热源模式，焊接温度场，数值模拟·教育部科学技术研究重点项目j04l∞摘要NumericalSimulati

4、onofthe3一DTransientTemperatureFieldsinKeyholePlasmaArcWeldingABSTRACTItiSakeyissuetoestablishallappropriatemodeloftheheat．sourceinthesimulationoftheKeyholePlasmaArcWelding(K-pAVO．ItrequiresthatthemodelembodytheKeyholeEfiectandhavethecharacteristicofvolumetricdistributionalo

5、ngthedirectionoftheplatethickness．Numericalsimulationof3-Dtemperaturefieldsinn≮WprocessiscarriedoutbasedonthesoftwareSYS、ⅣEI．Dandits2。1ddevelopment．Thethree．dimensionalconicalmodeofheatsourceismodifiedthroughanalyzingtheheatsourcemodesattachedtothesoRwareSYSWELD．andthemodes

6、ofheatsourcesforthequasi·steadyslatePAWandthetransientPAWareputforward,whichconsiderthe“digging-action'’ofthearcplasma．nle∞modelsofvolumetricheatSOUrceSarethebasisforthenumericalanalysisoftemperaturefieldsinK-PAWprocess．Thenumericalsimulationresultsofquasi—steadystatetemper

7、aturefieldsinK-PAWprocessindicatethatneitherthegeneraldoubleellipsoidalmodeofheatsourcenorthethree—dimensionalcordcalmodeofheatsourceCanbeappropriateforthefiniteelementanalysisoftheK-PAWprocess．Witheonsideringtheheatfluxdistributionalong也edirectionoftheworkpiecemickness．amo

8、difiedmodelof3．DconicalheatsourcemodeiSputforward．Thoughitcanbeusedtocalculatethew