对于ansys钢结构的焊接温度场仿真分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com1訇地基于ANSYS钢结构的焊接温度场仿真分析FiniteelementanalysisofTIGweldedsteeIbasedonANSYS李波LlBe(吉林广播电视大学辽源分校，辽源136200)摘要：本文基于有限元法，利用ANSYS软件成功地模拟316L不锈钢动态焊接过程，基于ANSYS／Mechanical模块，实现了钢结构TIG焊接过程整体温度场的模拟；根据磁流体动力学和电磁学理论，基于ANsYs／FIuent模块建立焊接电弧模型模拟了焊接熔池的温度场和速度场。为提高计算精度，定义了随温

2、度变化的材料热物理性能参数。模拟结果发现：电弧温度场呈典型的钟罩形分布，并且在弧柱附近呈现比较平缓的变化趋势，模拟结果与许多文献中描述的实验结果基本吻合，验证了该模拟的可靠性。关键词：316L不锈钢；ANSYS；有限元法；温度场中囝分类号：TG402文献标识码：A文童编号：1009-0134(201Z)l0(上)-0064-03Doi：10．3969／J．Issn．1009-0134．2012．10(上)．21⋯～⋯⋯⋯0引言在焊接实验中，仅仅依靠物理测量对焊接温度场的研究，不但浪费了大量的人力物力，而且；、、、～～——现有的条件也限

3、制了其发展，随着数值分析的引～》．l．，入及计算机技术的发展，利用有限元分析可以迅(a)电导率(b)热传导率速准确地获得焊接温度场的整体分布，并实现其动态变化过程的模拟n'2】。由于钢结构具有高的高}温热导率，使焊件局部存在较长的高温停留时间，从而引起焊后焊件发生较大的残余应力和变形，ij因此对焊接过程的温度场分布及接熔池的传热和惫流体流动过程的研究是十分有必要的。(C)密度(d)比热1试验方法与材料图1通过JMatPro获得与温度相关的热物理性能参数本文选择316L不锈钢作为实验材料，试验所传递过程。为便于建立模型、提高计算精度和节

4、用材料的化学成分见表1，焊接试样为50mmX50约计算成本，本文对TIG热模型作了如下假设：mmX4mm的钢板，焊接方式采用对接。为提高1)将焊接过程中的辐射散热部分等效到工件计算精度定义了随温度变化的材料热物理性能参与周围环境的对流散热；数，如图1所示。2)忽略焊接母材的各向异性，同时定义了随温度变化的材料热物理性能参数(如图1所示)；表1试验所用材料的化学成分(％)3)在焊接模型建立中忽略相变潜热对温度场的影响。其热传导控制方程为：，r2模型描述pc(T)=V·(·V)+Q(x，Y，z，t)(1)2．1热源模型式中：为温度；t为时

5、间；P为密度；为导热TIG焊接是一个涉及热传导、对流和融化凝系数；为材料定压比热容；Q为体热源热流密度。固等许多热物理化学现象、高度非线性的瞬态热为更好地模拟焊接后焊缝的形状，本文选用收稿日期：2012-08-06作者简介：李波(1973一)，女，吉林辽源人，讲师，本科，研究方向为机械维修与检测技术。【64】第34卷第1O期2012—10(上)学兔兔www.xuetutu.coml匐化旋转高斯体热源作为本模型中的焊接热源：P是金属的密度；c。是定压比热容；是导热系数；是液态金属的动力粘度系数；、、分别是)唧{}(2)在X、Y、z方向上

6、的体积力分量。其中，为焊接效率，是热源分布参数；Q根据电磁学理论建立电弧模型的麦克斯韦控为焊接电弧的功率；日为热源高度。制方程组：其边界条件描述如下：电流连续方程：钢板下表面：与垫板之间的热传递损耗，以10()+()一i：0等效热传导系数描述如下(为环境温度)：导()+导()：。‘。’一=(一)(3)Ycycyozoy工件其他表面：自然对流和辐射热损耗，为便安培定律：于计算，将辐射散热等效为对流散热，因此，以等效对流换热系数h表示自然对流和辐射热损耗：B=I胁(11)r一‘一=(一)(4)欧姆定律：2-2电弧模型=一=一：一在焊接过程

7、中，由于电弧的移动，电弧下方，，(12)OXoyc焊件上的熔池形状及温度达到准稳态状态，焊接熔池随着电弧的运动而移动，为简化计算和方便3结果和讨论建模，该模型做出以下假设：图2所示焊接速度为24mm／s稳定焊接阶段的1)由于在TIG焊接中，热源，即电弧是一个有限元计算结果。从图2知在316L不锈钢TIG焊轴对称的钟罩状的热源，因此选用两维的轴对称接过程中热影响区较小，焊缝附近的温度场梯度模型进行建模；较大；而在热源后部温度场的等温线分布较为稀2)等离子体是光学薄的；疏，导致温度梯度较小；在热源前部温度场等温线3)忽略重力和黏性耗散。分

8、布相对密集，导致温度梯度大。究其原因是热源在轴对称、层流和定常条件下，根据磁流体的移动和热惯性导致热源前后部有明显不同的温度动力学理论构建电弧模型的连续性方程、能量守分布，因此在热源前部附近温度梯度相对较大。随恒方程和动