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1、厚板多层多道焊的数值模拟分析121李慧娟黄振华张京焘(1中国航空综合技术研究所,北京100028)(2辽河石油勘探局锦州工程技术处,锦州121209)文摘在建立厚板多层多道焊的三维有限元数值分析模型的基础上,利用ANSYS软件中的单元“生死”技术处理多层多道焊问题,模拟得到了厚板多层多道焊时的温度场分布规律,并利用红外热像仪实时测定了实际焊接过程的温度场。比较实测温度场和模拟温度场的结果表明,模拟结果与试验结果基本吻合,证明所建数值模型是正确的。关键词数值模拟,多层多道焊,温度场,热像仪NumericalSimulationofMulti2LayerWeldingofThickPlat
2、es121LiHuijuanHuangZhenhuaZhangJingtao(1ChinaAero2PolytechnologyEstablishment,Beijing100028)(2LiaohePetroleumExplorationBureauPetrochina,Jinzhou121209)AbstractThreedimensionalfiniteelementnumericalmodelformulti2layerweldingofthickplatesisbuilt.Thetechniqueofdeath2birthelementinANSYSisemployedtos
3、imulatetheprocessofmulti2layerwelding,andthesimu2latedtemperaturefielddistributionisobtained.Thepracticaltemperaturefieldismeasuredreal2timelybyusingthethermalinfraredimager.Acomparisonofthesimulatedtemperaturefieldwiththatofthemeasuredindicatesthatthesimulatedresultsagreeingeneralwiththoseofthe
4、experiment,andthenumericalmodelbuiltiscorrect.KeywordsNumericalsimulation,Multi2Layerweld,Temperaturefield,Thermalinfraredimager0前言部输入热流;b是表面换热系统;Tα是周围介质温在中厚板焊接中,一般采用多层多道焊的方法,度,本文取室温Tα=293K。工件经历多次焊接热循环过程,温度场变化情况非常实验表明,焊接时的热能损失主要以辐射损失为复杂,而温度场对于焊接质量有着重要的影响,分析主,而表面热传导损失相对较小,温度越高辐射换热研究工件温度场对于获得高质量的焊
5、接结构有着重作用越强烈。在约300℃时的辐射损失超过对流损[1]要的现实意义。采用数值模拟技术对工件的温度失,而低于该温度的对流损失大于辐射损失。计算表场进行分析是一种十分简便可行的方法。本文利用面传热损失时只考虑上下两个表面,不计其余侧面。ANSYS有限元软件中的单元“生死”法对多层多道焊1.2焊接热源的选择的焊接过程和瞬态温度场的分布进行了计算。本文假设每一道焊缝的上表面都是一个平面,实1焊接温度场的数学模型践证明,在电弧焊接时,采用热流密度为高斯分布的1.1边界条件表面热源可以获得满意的温度场结果。高斯热源的[3]将试件上下表面和周围边界假设为热流和换热表达式为:[2]-kr2边
6、界进行处理:q3=q3maxek·gradT·n=-q+b(T-Tα)式中,q3为热源密度,k为系数,r为离斑点热源中心式中,n是边界表面外法线方向;q是单位面积上的外的距离。收稿日期:2007-06-14作者简介:李慧娟,1980年出生,主要从事大型结构的有限元数值模拟分析工作—30—宇航材料工艺2007年第5期2几何模型的建立求解。2.1实体模型2.3.1热源的简化根据试件的几何尺寸建立模型,工件选用两块假设由焊丝或焊条填充的焊道部分在焊接之前200mm×100mm×14mm的Q235钢板,由于是多道已经存在,由于焊道部分对于整个焊件来说所占的体焊,在模型的简化上不能进行对称处理,
7、所以建立的积比较小,所以此项假设对整个焊接过程的热传导分有限元模型是整个焊接构件。在实际焊接过程中存析影响不大。对于多层多道焊可以利用有限元分析[4]在着焊缝填加金属与基体之间、后填加的金属与先填中的单元生死方法来进行模拟。加的金属之间的相互熔化问题,这在有限元计算中实2.3.2热源的移动现比较困难,所以为了简化模型将焊缝的几何模型近焊接时热源随着时间的变化在工件表面移动,所似处理为规则形状。考虑到余高的存在,将第三层焊以温度场是一个随时间变化
