不锈钢焊接温度场的三维数值模拟

《不锈钢焊接温度场的三维数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第#&卷第#期焊接学报FGH9#&=G9##!!%年%月1<3=’3>1?@=’@A1B;>B?=3C;DE?=2?=’1?1(1?@=3/IJH#!!%不锈钢焊接温度场的三维数值模拟董志波"，魏艳红"，刘仁培#，董祖珏#（"9哈尔滨工业大学现代焊接生产国家重点试验室，哈尔滨"&!!!"；#9机械科学研究院哈尔滨焊接研究所，哈尔滨"&!!:!）摘要：分别详细分析了焊接热源的三种计算模型即高斯热源模型、双椭圆高斯热源模型及双椭球热源模型的数学表达式与物理特点。利用三维有限元网格划分技术，对工件进行网格

2、划分，并采用网格自适应技术对焊缝金属的网格进行自动加密与生成，为缩短焊接过程数值模拟时间创造了条件。在此基础上又对其中两种焊接热源模型所建立的温度场进行了计算，得到了不锈钢’(’$"!材料温度场的分布规律，研究了各种参数对温度场分布的影响，并与工艺试验结果进行了比较，提出了适合三维有限元分析的最佳焊接热源模型。关键词：热源模型；焊接温度场；数值模拟中图分类号：12%%文献标识码：3文章编号：!#&$0$4!56#!!%7!#0!80!4董志波!序言分技术，对焊缝金属的网格进行了划分，这一技术处理大大

3、缩短了计算时间，为该方法在复杂结构上的焊接热过程的准确计算是定量计算焊接冶金、推广奠定了基础。焊接应力应变分析和焊接过程自动化控制的前提。焊接热过程取决于外加热源的分布形式、材料的热"热源模型物理性能以及材料与周围的换热等因素。经典的雷卡林公式以点、线、面分布热源来模拟各种焊接热!"!高斯热源模型源，有一定的局限性。焊接过程数值模拟的研究早期在经典雷卡林公式中，点热源和线热源主要用一直停留在二维水平上［"］。近年来，随着计算机技术于温度场解析解，研究表明其计算结果与实际结果和有限元技术的发展，焊接过

4、程三维数值模拟的研有较大的出入，而高斯热源分布是一种比点状热源究成为该领域的研究前沿。但是由于焊接过程的复和线热源更切实际的一种热源分布函数，因为它将杂性，焊接过程的三维数值模拟仍只停留在以典型热源按高斯函数在一定的范围内分布，其分布特点接头作为研究对象［#］，在实际应用中仍有较大的局如图!所示［"］。限性。影响数值模拟技术在实际生产中得到应用的主要原因是计算时间过长或计算精度不高，这主要是下述因素造成的（："）焊接结构三维模型中自由度数目庞大（；#）严重的材料非线性导致求解过程的收敛困难（；$）高

5、温区的存在使得控制数值模拟的精度和稳定性存在一定的困难。文中以三种焊接热源模型，经典高斯热源［$］、表面双椭圆高斯热源［%］及双椭球形热源［&］为研究对象，利用其中两种热源模型对不锈钢’(’$"!三维焊接温度场进行了数值模拟，在此基础上又把模拟结果与工艺试验结果进行了比较，通过比较提出了更接近实际的热源模型。同时还采用网格自适应划图!高斯热源模型（!!#!$#!%&"’电弧有效范围）()*"!+,-..),/012,300.4-5627!!#!$#!%8高斯模型热流密度为收稿日期：#!!$0!80!

6、8#)*#).-/#），（"）基金项目：国家自然科学基金资助项目（;!&!#!"!%）+,-（0!$.%焊接学报第)’卷式中：!!为半径"处的表面热流；!!为加热斑点中!":"#$双椭球形热源模型心的最大热流；#是热源集中系数，与焊接方法相关高斯热源模型和双椭圆高斯热源模型都是在二的常数；"为距热源中心的距离。文中#取为%&%’维计算时取得的面热源形式，它没有考虑电弧在熔""()，"为*""。有关试验研究表明，高斯热源模型深方向的加热作用。事实上，三维的热源模型计算才能够表征焊接电弧的热流分布特征。

7、能真实体现焊接的热过程，789:#;［’］研究并提出了!"#双椭圆高斯热源模型双椭球形热源模型如图*所示。焊接热源模型是否选取适当，对焊接温度场的计算精度，特别是在靠近焊接热源的高温区，有很大的影响，在研究高斯热源模型热流分布的基础上，有关研究认为双椭圆高斯热源模型比高斯热源模型!更加接近实际焊接热源，其热流分布特点见图"［#］。图:双椭球形热源模型$%&":()*+,-’-,,%./)%0’8-14’/)*59-’9)37%&*514%)3前部分是个.<5椭球，后半部分是另.<5椭球。))、)"与

8、双椭圆高斯热源模型中含义相同，则在前（$）热源模型半部分椭球内热源分布为。（*）同样，对后半部分椭球内热源分布为。（#）在式（*）（、5）中参数..，.)，/，#可有不同的值，它们是相互独立的。文中取..为%&=""，.)为（%）热源移动坐标系*&)""，/为4&’""，#为.&’""。在上述三种热源模型中，经典的高斯热源模型图#双椭圆高斯分布热源模型较早提出，并已在二维焊接温度场研究中被广泛应$%&"’#()*+,-’-,,%./)%01,’21*//%13’0%/