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《电子束焊接数值模拟中分段移动双椭球热源模型的建立》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第卷第期机械工程学报年月电子束焊接数值模拟中分段移动双椭球热源模型的建立王煌赵海燕吴延蔡志鹏张建强清华大学机械工程系北京摘要直接利用移动双椭球热源模型对电子束焊接过程进行数值模拟时,计算量庞大,计算效率低下。为此,在移动双椭球焊接热源模型的基础上,经分析推导得到了分段移动双椭球热源数学模型,并通过实际的物理试验和。,,数值模拟对该模型进行了验证结果表明采用该热源模型可以在保持良好计算精度的基础上极大提高计算效率使模拟实际复杂焊接构件的焊接过程成为可能。关健词电子束焊接数值模拟双椭球热源模型分段热源高效计算中图分类号由于是配合体单元网
2、格模型进行三维模拟计算,在对实,前言际焊接过程进行数值模拟时使用移动双椭球热源模型比使用移动模型进行计算的,、,。,焊接过程中由于焊接热源具有集中移动的效率更低实现困难更大为解决这一问题将分,,特点会形成在空间和时间上梯度都很大的不均匀段化思想应用于双椭球体热源模型上在移动双椭,球体热源模型基础上提出温度场从而导致了焊接残余应力与变形的产了分段移动双椭球体热源。,,。、生因此建立适当的热源模型对焊接温度场模型将原来高度集中瞬时作用的移动加热方式。、。进行准确模拟是焊接数值模拟的重要课题之一转化为段状分布相继作用的顺序加热方式实际,,
3、针对不同焊接过程的特点可采用面热的模拟计算表明应用该热源模型在保持较高计算。,,源模型川和双椭球体热源模型模拟焊接热源由精度的前提下可大大减少计算量提高计算效率,。于焊接热源的高度集中性如果直接采用移动热源使对实际复杂构件的焊接过程进行模拟成为可能进行计算,在建立有限元模型时,需要将焊缝及其附近,计算中也需要很多时区域的网格划分得很细分段移动双椭球体热源模型间步进行迭代运算,这使得计算效率极为低下,从而对于一些实际复杂构件的焊接过程进行模拟实际移动双椭球体热源模型。,,上是不可行的为解决这一问题参考文献〔对如图所示双椭球体热源模型的
4、输入热流,,移动面热源进行分段化处理建立了分段移密度分布在一定的体积内由两个椭球组合而。,动面热源模型,在对实际大型构件装焊过程成模型分成前后长度不同的两部分是为了使的模拟中,应用此热源模型配合壳单元网格进行有计算温度场结果更加合理而对热流分布进行了修。,。限元计算取得了较好效果闭正热输入功率在前后两个椭球内的分配由能、。,量分配系数关关决定式给出但面热源模型多用于热导型焊接过程了在随热源移动了中,夕‘计算得到的焊接熔池深宽比较小而对于焊接熔池的局部坐标系丫沿焊接方向轴正向的深宽,前半部分椭球内部的热流密度分布比较大的深熔型焊接过程
5、更多使用双椭球体。叮卜·二‘·。热源模型配合体单元网格进行三维模拟与”面热源模型不同,双椭球体热源模型所描述的热流一一,输入分布在一定的体积内能够反映出热源沿深度瓢一‘,,一‘冲矛方向对焊件进行加热的特点,在模拟电子束、激光后半部分椭球内部的热流密度分布如式焊接等具有穿透效应的深熔焊接过程时,能够获得‘,,‘‘,‘,’一较为准确的计算结果。夕一‘,法。一‘沦圣收到初稿,收到修改稿机械工程学报第卷第期,,,‘式中两热源形状参数如图示接热源的移动速度足够快那么在这条焊缝上所施—,。热输入功率全叮加的移动热源就可以近似看作为段状热源该热源
6、叮—热效率系数在垂直于长度方向上和沿深度方向上的热流分布均—焊接电压邝呈分布,与原双椭球体热源模型相似而沿—焊接电流长度方向上的热流密度为均匀分布,如图所示。—,,,,无关前后部分的能量分配参数这样对于较长焊缝来说可将其划分成若干段—将此等效段状热源依次施加,关关于各段上使其按焊接顺序依次加热各段。这样在垂直于移动方向上和沿深度方向上的热流分布仍保持了原热源模型的集中特点,同时顺序加热又能体现出焊接热源的移动特。,,点对于一段的加热可将其划分为很少的时间步每步采用较大的步长进行计算,大大减少了计算量。由于段状热源在沿焊接方向上的热流
7、密度为均匀分布,所以沿焊接方向上的网格尺寸可划分较,,。大从而可进一步减少计算量缩短计算时间图双椭球体热源模型在一般计算时,作为简化处理,可以忽略热源,,二心,二前后部分热流密度分布的不同取将热源看作关于。了轴对称的旋转半椭球体则热流分布’,’,才可由公式统一描述叮,,少‘,,口,,一,,‘’一夕血,,图分段双椭球体热源模型式中,为最大热流密度值出现在热源中,心,处取值如式所示,,设焊接热源热输入功率为移动速度为。。,。,。二要沿直线移动加热一段长度为的区域,用时为,‘白奥兀咖,用一段段状热源模型模拟此移动热源如图所,在整体坐标系必
8、羚中考虑到热源模型的移。示热源内部空间各处热流密度少为定义如式动,经过坐标变换,方程化为式所示,少,,,,一’一叮。石,,,。一,即。少二。却’’一’占一夕一却仓,式中为段状热源的热流密度最大值位于热源,,式中夕整体坐标系中的坐标值,
