全熔透gtaw熔池形态数值模拟精度的改进

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1、山尔人中博十学竹论文全熔透GTAW熔池形态数值模拟精度的改进摘要建立全熔透GTAW熔池形态的数值分析模型，不断改进和提高数值模拟的精度，是当前焊接学科国际li{f沿的重要研究领域。国内外研究者在GTAW焊接熔池形态的数值模拟研究方面开展了多年的研究工作，并取得了很大的进展。但是，仍然存在许多重要问题有待于进一步解决。其中，现有模型存在三个问题：(1)计算出的熔池尾部的后拖小于实测结果；(2)采用的熔池表面变形方程不够完备，熔池表面变形的预测值有较大误差；(3)模型不具备对熔透熔池产生塌陷和焊穿缺陷的预测／判断功能。因此，围绕上述三个方面继续深入研究，进一步改进和提高熔池形态

2、数值模拟的精度，对于焊接工艺优化设计和焊接过程智能控制，都具有重要的理论意义和工程实用价值。建立了全熔透GTAW熔池形态的数值分析模型，涉及到了GTAW焊接的各种影响因素(电弧运动、全熔透、三维、瞬态、热场、流场、上／下表面变形、相变潜热，曲面边界)。模型中充分注意了以下几个方面的问题：(1)考虑了电弧运动对电弧热流和电弧压力分稚的影响，给出了电弧热流和电弧压力双椭圆分却模式的数学表达式；(2)给出了工件部分熔透和工件全熔透情况下熔池自由表面变形方程的推导过程，论证了本文给出的熔透熔池表面变形方程的完备性；(3)采用液体分数法处理相变潜热：(4)采用贴体曲线坐标系处理变形的

3、曲面边界条件，并推导出了贴体曲线坐标系中的控制方程组及其定解条件。在此基础上，给出了控制方程组和表面变形方程组的有限差分离散化形式，采用了附加源项法处理能量和动量边界条件；设计算法以及编写和调试数值计算程序，程序中采用了过程和模块化的结构设计，增强了程序的可读性和可维护性，提高了程序的灵活性和适用性。利用本文建立的模型和设计的数值计算程序。对GTAW焊接不锈钢板时的焊接温度场、熔池流场和熔池几何形状的动态变化过程进行了数值模拟。研究结果表明：采用双椭圆分布模式并正确选取热源在工件上的计算区域，同时考虑相变潜热的影响，使计算得到的熔池上表面形状与试验测得的熔池上表面形状吻合山

4、尔人学博十学{奇论文良好，提高了G"rlⅣ熔池形状的数值计算精度，解决了数值计算结果中熔池尾部后拖不足的问题。采用了完备的熔透熔池上、下表面变形方程，模拟了从熔池形成到焊接过程达到准稳态时熔池自由表面变形的动态演变，考察了上表面最大下塌量、下表面最大下塌量、上表面最大隆起量，表面下塌体积和拉格朗R常数在数值模拟过程中的动态变化曲线。发现：除了熔池表面变形特征参数(如上表面最大下塌量、上表面最大隆起量，表面下塌体积)之外，拉格朗同常数的动态变化与工件熔透程度之间也有比较明显的相关性。通过与已有文献的对比。认为本文所采用的熔透熔池表面变形计算公式更加完善，并通过试验验证了计算结

5、果的可靠性，解决了原有模型得出的熔透熔池自由表面变形量计算值偏小的问题。在熔池形状与表面变形计算精度提高的基础上，通过对GTAW熔透熔池整体进行受力分析，建立了全熔透熔池的力学模型，从理论上给出了熔池塌陷的力学判据。分析了可稳定存在熔透熔池中各作用力的动念变化，讨论了作用在熔池区域的下塌力和支撑力各分量所占的百分比；分析了塌陷熔池中力和表面变形的动态演变，讨论了正面熔池形态与焊穿产生倾向之问的相关性；预测了GTAW焊接不同材质和板厚工件时的熔透情况。根掘所建立的熔池塌陷的力学判掘，模型本身就能自动地对选取的焊接工艺参数是否适用、是否产生熔透过大和焊穿缺陷做出判断，从而避免了

6、数值模拟过程的“失真”，保证了数值计算结果的有效性和可靠性。进行了不锈钢板和低碳钢板的GTAW工艺试验，测量了各种熔池形状参数(如熔池上表面形状、焊缝横断面轮廓和熔池自由表面下塌变形量等)，对数值模拟结果进行了实验验证。基于数值模拟和工艺试验结果，证明了本文所建立模型对全熔透G"dⅣ熔池形念的数值模拟精度有了较大的改进。关键词：熔池形态，数值模拟，精度改进，熔池尾部后拖，熔池表面变形，熔池塌陷判据山尔人半博十学{市论文ImprovementontheNumericalSimulationPrecisionofCompletelyPenetratedGTAWMoltenPoo

7、lBehaviorsABSTRACTTodevelopnumericalmodelsofcompletelypenetratedGTAWmoltenpoolbehaviorsandtoimprovetheirprecisionofnumericalsimulationcontinuouslyareimportantresearchareaofthefrontiersinweldingscienceandengineering．Wbdd-wideresearchershavebeenconductinginvesti