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1、焊管·第30卷第3期·2007年5月·21·●试验与研究3一种高斯热源加载算法董克权,张建(广东肇庆学院电子工程系,广东肇庆526061)摘要:采用焊接仿真用到的经典高斯热源模型,设计了基于表参数热流密度加载算法。结合有限元模型的网格划分要求,详述了算法中热流密度的存储技术及计算方法,并图示了整个算法的流程。用此算法对双丝埋弧焊接实例进行了仿真,并给出了瞬态热分析结果。关键词:高斯热源;热流密度;加载算法中图分类号:TG402文献标志码:A文章编号:1001-3938(2007)03-0021-030引言1算
2、法的相关模型焊接热过程的准确计算是焊接冶金定量计1.1高斯热源模型算、焊接应力应变分析和焊接过程自动化的前提。有关试验研究表明,高斯热源模型能够表征[3]焊接热过程取决于外加热源的分布形式、材料的焊接电弧的热流分布特征。高斯热源模型如热物理性能以及材料与周围的换热等因素。对于图1所示。焊接温度场有限元计算过去大多局限于二维问[1]题,近年来,计算机技术快速发展使焊接过程的三维数值仿真研究成为焊接研究的热点。焊接是个局部快速加热到高温并随后冷却的过程,随着热源的移动,整个焊件的温度随时间和空间急剧变化,材料的热
3、物理性能也随温度剧烈变化,同时还存在熔化和相变时的潜热现象。因此,焊接温度场分析属于典型的非线性瞬态热传导问题。APDL(ANSYSParametricDesignLanguage)是大型有限元分析软件ANSYS自带的一种批处理语言,它不仅能提供一般程序语言的功能,并能访图1高斯热源模型问ANSYS有限元数据库,用于实现参数化的有限元分析、分析批处理、专用分析系统的二次开发以图中,o为热源的中心,dH为焊接电弧有效加及设计优化等,为ANSYS的高级应用提供了一个热直径。高斯热源模型的热流密度公式为[2]有力的
4、工具。本研究以经典的高斯热源模型q=qexp(-cr2),max为基础,充分考虑并结合有限元模型的网格划分式中:q为热源有效加热范围内半径为r处的表与热流密度的加载方式,设计了基于表参数热流面热流;qmax为热源加热斑点中心的最大热流;c密度加载算法,以实现焊接热源的移动。并用此为热源集中系数,是与焊接方法相关的常数。算法对双丝高速埋弧焊接进行了仿真,给出了瞬1.2有限元模型态热分析的结果。对平板焊接进行仿真的有限元模型如图2所3广东肇庆学院科研基金项目(项目号0636)·22·焊管2007年5月示。对平板焊
5、接进行仿真时,通常取焊缝中心位密度数组计算方法是将热源中心置于此载荷步对于焊件宽度方向(图中的y方向)的对称面(图中应的焊缝中心的节点上(图中的o′),计算焊件表的xoz面),在该面内取对称绝热条件。为减少计面所有单元的热流密度,具体步骤为:①计算单元算工作量,只需取模型的一半进行分析。焊接时中心到热源中心的距离S。②若S不大于电弧有温度随时间和空间急剧变化,温度梯度很大,所以效加热半径r(在半圆内),则按高斯模型计算该采用三维热实体八节点六面体单元SOLID70,并单元表面的热流密度,如取正方形ABCD中心
6、的使网格划分比较细密。热流密度为单元表面的热流密度值;若S大于r(如图中的单元表面EFGH),则热流密度赋值为0。计算出整个焊件表面所有单元的热流密度后,形成整个表面的热流密度面载荷,以备ANSYS实现自动整面加载。图2有限元模型2基于表参数热流密度加载算法2.1热流密度面载的存储方式根据ANSYS热流密度面载的加载方式,用表参数数组(TABLE)能方便地存储施焊表面的热流密度。TABLE参数数组是APDL中一种特殊的数值型数组,其特殊性在于每个面包含0行与图4热流密度计算图0列,如图3所示。用TABLE参数
7、数组实现热流密度的加载时,一个面存放一个载荷步的热流密2.3算法的流程度,面的下标值(0,0)存放载荷步序列号,0行与用表参数数组表示的整面热流密度加载算法0列的其他元素置0,面内除0行与0列的元素流程见图5。其中表数组的行数为有限元模型x外,其它存放对应单元的热流密度值。方向的单元数,列数为y方向的单元数,面数为瞬态热分析的最大载荷步数,初始热源中心位于坐标原点o处。图3表数组的数据存储结构2.2热流密度的计算根据高斯热流密度分布规律,若电弧有效加热半径r取5mm,单元边长l取1mm,则模型一半的分析如图4
8、所示。某个载荷步焊件表面热流图5表参数数组表示的热流加载算法流程图第30卷第3期董克权等:一种高斯热源加载算法·23·3双丝埋弧焊仿真实例线对应为a,b,c和d。从图中可以看出,焊缝及其附近的节点经历了两次加热。第一次加热节点3.1计算参数及热流密度加载A熔化,相邻节点B未熔化,且二者温差较大,所采用本设计的算法对25号钢的双丝埋弧焊以在固—液交界处热传导较快,而熔池内的液—接进行了仿真。仿真模型尺
