有限元法在温度场模拟与测量中的应用.pdf

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1、口人才培养口仪器仪表用户doi:10.3969/j.issn.1671—1041.2010.01.040有限元法在温度场模拟与测量中的应用朱福栋,王云山(天津工业大学激光研究所机械电子学院,天津300160)摘要:建立微弧沉积Jjn-r的物理模型与温度场的数学模型,利用有限元法模拟微弧沉积加工的电热过程,并对温度场模拟结果进行理论分析。pc警一击(警)一()一言(罢)=0c揭示微弧沉积加工的放电机理,为合理选择加工参数及温度的测量提式中,P是密度,kg/m。;C是比热,J/(kg·℃);是导热系供了理论依据。’一数,(m·℃);T是瞬时温度,℃;是时间变量,S;Q是物体关键

2、词:微弧沉积;温度场;有限元法;测量内部的热源密度,W/kg。中图分类号:TG661文献标识码:B初始条件为:T(,Y,Z,t=0)=ro为初始环境温度,通常取室温,即To=20cC。0引言边界条件为:微弧沉积工艺是直接利用电能的高密度能量对金属的表OT面进行沉积处理的工艺,它是在室温下用低能量输入,通过火+n+=q(在边界上)(2)花放电作用在极短的时间(10~一10~s)内使电极与工件接触aTOTOT,n+-n=h(—)(在边界上)(3)的部位达到8000—25000%的高温,将作为电极的材料熔渗进以;金属基材表层,形成合金化的表面强化层。微弧沉积工艺具式中,,,,为边

3、界外法线的方向余弦,q为微弧沉积加工有处理时瞬时功率密度高,热影响区小,工件变形小等优过程中的热流密度,W/m;h为换热系数,w/(m·℃)。点J,但是,由于火花放电过程是一个非常复杂的电物理过程,目前没有一个确切的理论对微弧沉积加工过程进行描述,2模拟结果与分析实际应用中,只能依靠实际加工经验进行操作,不能事先对加2.1实验条件工过程进行比较精确的预测,从而极大的限制了微弧沉积工基体材料为1号(Cu>99.95%)紫铜,电极材料为NiCr一艺的推广。3(质量分数Ni75%、Cr25%),沉积设备:HESD一2000c型高能随电子计算机的发展而得到了迅速发展的有限元法,为微

4、弧沉积机,设备最大功率1000W,最高频率:1500Hz,微弧沉解决这个问题提供了新的思路。所谓有限元法就是将一个复积工作电压为U=80V,工作频率为f:450Hz。实验前先将紫杂的连续求解问题,采用先分后合的方法,将连续的求解域离铜基材用粗砂纸将试样表面的油污、氧化皮等杂志清理干净,使散为一组有限单元的组合体,这些单元相互联结在有限个节表面进可能的平整,在氩气保护气氛中对铜基材进行沉积实验。点上,承受等效的节点载荷,并根据平衡条件来进行分析,然2.2模型建立后根据变形协调条件把这些单元重新组合起来,成为一个组微弧沉积加工过程中,放电点相对被加工工件尺寸非常合体,依靠计算机

5、的强大计算功能,对原问题进行近似求解的小,又因为放电时间非常短,热量来不及传导,只有放电点周围一种工程计算方法。我们利用目前的研究成果,使用目前最很小一部分区域受热影响,所以微弧沉积加工可以看做点热流行的有限元分析软件ansys对微弧沉积加工过程的温度场源相对无限大物体加热。Ansys热单元类型采用solid70,网格进行模拟分析,为微弧沉积工艺在实际加工中的应用及温度划分采用非均匀划分,为提高计算精度,中间部分网格划分细场的测量提供重要依据。、密,划分结果如图1所示L6-TJ。2.3模拟结果1建立模型模拟结果如图2所示,距离放电点最近的位置,温度最高,有限元模型要在精度许

6、可的条件下尽可能的简化条件,达到9974%,远远超过铜和Ni一合金的熔点,但是高温区域很并尽可能真实地描述影响实验结果的因素。小,大约只有0.6ram左右,在此区域温度场变化迅速,温度梯1.1物理模型度很大,等温线近似于同心椭圆族。在离开放电点0.6mm左右微弧沉积加工过程是一个瞬态加热过程,在加工过程中的大部分区域,温度很低,维持室温。这主要是受微弧沉积加工会涉及传导、对流和辐射等各种传热方式,是一个非常复杂的原理的影响,由于微弧沉积加工过程是在极短的时间内,通过复合传热问题,为简化分析,现做如下假设:放电作用在放电通道产生大量热量,大部分热量会传入工件1)被加热材料组织

7、均匀,各向同性,不考虑材料微观中,但是由于时间短,热量来不及传人工件深处就形成了局部缺陷;高温的结果。同时由于铜的导热性好,电火花放电所产生的热2)不考虑材料在加工过程中的损耗,如汽化;量被迅速传走,所以除放电点附近区域外的大部分区域温度3)不考虑加工过程中的热应力;仍然维持在室温。4)被加工材料为有限大固体,初始各节点温度均匀恒定,初始温度近似为2O。在此假设的基础上,有限元模型被大大简化,同时与目前研究结果非常接近,能够满足日常工业生产的应用。1。2数学模型对微弧沉积加工技术来说,加工过程中没有内热源,即pQ=

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