ansys在外加縱向磁場(chǎng)移動(dòng)gtaw焊接過(guò)程有限元研究

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1、ANSYS在外加縱向磁場(chǎng)移動(dòng)GTAW焊接過(guò)程有限元研究

2、第1...ANSYS有限元數(shù)值模擬外加縱向磁場(chǎng)移動(dòng)GTAm，焊接電流為100A，弧長(zhǎng)為2mm，鎢極直徑為3.2mm，鎢極錐角為60度，氬氣流量為8L/min，采用直流正極性接法,焊接速度為3mm/s。計(jì)算條件及處理方法1初始條件和邊界條件在用ANSYS進(jìn)行速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合求解時(shí)，必須考慮速度和熱邊界條件，對(duì)暫態(tài)分析還應(yīng)該考慮初始條件。1.1速度邊界速度邊界是指焊接過(guò)程熔池固液界面以及熔池自由表面。熔池固液界面在整個(gè)焊接過(guò)程是不斷移動(dòng)的，相變潛熱的吸收和釋放就是通過(guò)該界面進(jìn)行的。在求解熔池流體流動(dòng)及傳熱問(wèn)題時(shí)，所面臨的最困難

3、的問(wèn)題就是固液界面的移動(dòng)。通常的作法是假設(shè)在熱量傳向界面和因此而產(chǎn)生的界面移動(dòng)兩個(gè)過(guò)程之間存在一個(gè)微小的時(shí)間滯后。即認(rèn)為在一個(gè)微小的時(shí)間間隔內(nèi)，熔池固液界面是固定的，在此條件下進(jìn)行流場(chǎng)和熱場(chǎng)求解，然后根據(jù)所求的傳給界面的熱量以及界面上潛熱的釋放或吸收等熱量平衡條件求出界面的位移量，再根據(jù)新的界面位置計(jì)算下一時(shí)刻的流場(chǎng)和熱場(chǎng)，依次類(lèi)推，就可以求得整個(gè)焊接過(guò)程的流場(chǎng)和熱場(chǎng)。這種方法算法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，其計(jì)算精度由時(shí)間步長(zhǎng)決定，步長(zhǎng)越小計(jì)算精度越高，越能反映熔池流場(chǎng)和熱場(chǎng)的真實(shí)狀況，所以極耗CPU計(jì)算時(shí)間。為克服這種方法的不足，本文采用“固液同一法”，即讓溫度低于固相線(xiàn)T的金屬的粘性系數(shù)趨于無(wú)

4、限大，而高于液相線(xiàn)T的金屬的粘性系數(shù)采用實(shí)際粘性系數(shù)值,從而將固液相統(tǒng)一起來(lái)。這樣，在溫度等于或低于固相線(xiàn)溫度T的區(qū)域，由于粘性系數(shù)非常大，流速為零。而在溫度等于或大于液相線(xiàn)溫度T的區(qū)域，在磁場(chǎng)力作用下，粘度小的液相就會(huì)發(fā)生流動(dòng)。這種方法不需要人工辨識(shí)流體區(qū)域，程序會(huì)根據(jù)熱場(chǎng)分析結(jié)果自動(dòng)更新固液移動(dòng)界面位置并進(jìn)行熱場(chǎng)和流場(chǎng)的求解。規(guī)定沿熔池平表面法向，熔池表面流體的運(yùn)動(dòng)速度為零。由于在小焊接電流（AI120.）的條件下，普通GTAm×50mm×5mm，其物性數(shù)據(jù)以及焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。（略）4電磁場(chǎng)、流場(chǎng)以及熱場(chǎng)的耦合策略在外加縱向磁場(chǎng)移動(dòng)GTAW焊接過(guò)程中，勵(lì)磁線(xiàn)圈由恒流源供電，

5、并在焊接前就供電,所以焊接過(guò)程一開(kāi)始就受恒定的外加縱向磁場(chǎng)作用。本文忽略流體流動(dòng)對(duì)此恒定磁場(chǎng)和熔池中發(fā)散的電流線(xiàn)分布的影響，認(rèn)為在整個(gè)焊接過(guò)程中，隨著焊槍的移動(dòng)，熔池中電流密度矢量的分布相對(duì)于移動(dòng)的焊槍并不改變。那么，在焊接過(guò)程中，恒定的磁場(chǎng)與不變的電流密度矢量相互作用所產(chǎn)生的力相對(duì)于移動(dòng)的焊槍也是不變的。鑒于此，本文首先進(jìn)行電磁場(chǎng)耦合分析，計(jì)算出熔池中的電流密度分布、外加縱向磁場(chǎng)分布、發(fā)散的電流線(xiàn)產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)分布以及它們之間相互作用對(duì)工件中每一節(jié)點(diǎn)（或單元）產(chǎn)生的力的作用，然后再進(jìn)行流場(chǎng)和熱場(chǎng)的耦合分析。在進(jìn)行流場(chǎng)和熱場(chǎng)耦合計(jì)算的整個(gè)過(guò)程中，把電磁場(chǎng)耦合計(jì)算的結(jié)果（即力）作為邊

6、界條件施加進(jìn)去，最終實(shí)現(xiàn)電、磁、熱、流四場(chǎng)的耦合計(jì)算。結(jié)論本文利用ANSYS軟件所提供的多耦合場(chǎng)分析功能對(duì)外加縱向磁場(chǎng)移動(dòng)GTAW焊接過(guò)程中外加縱向磁場(chǎng)的分布、熔池中電流密度的分布以及熔池流體流動(dòng)與傳熱行為進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究發(fā)現(xiàn)：（1）在熔池范圍內(nèi)，單個(gè)空心圓柱線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)可近似為縱向磁場(chǎng)。電流密度矢量在距離熔池中心某一位置達(dá)到最大值，離電弧中心和工件上表面愈近，電流密度矢量愈縱向磁場(chǎng)的夾角愈小。（2）流體流動(dòng)與傳熱行為研究表明，在外加縱向磁場(chǎng)作用下，焊接熔池和流場(chǎng)都需要一個(gè)過(guò)程才能建立并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。熔池呈“寬而淺”的形狀，熔池中流體做非對(duì)稱(chēng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的最大值出

7、現(xiàn)在偏離熔池中心的某一位置。