不等厚板电阻点焊熔核形成过程的数值模拟

论文摘要

本文以有限元软件ANSYS为平台,以低碳钢不等厚板为研究对象,建立锥台形电极电阻点焊的热电力耦合模型,详细地讨论了点焊规范参数及特性对形核过程的影响,并通过实验进行了验证。利用所得到的规律,讨论了16MnL不等厚板点焊时改善熔核偏移的方法。首先,根据点焊过程的特点对预压阶段进行了分析。通过结构模型预压过程的数值分析,得到通电开始的初始接触条件。通过对五种不同压力下的预压过程分析可知:各接触面的应力大小及接触压力分布的均匀程度与电极压力有关;在电极与工件接触面以及工件与工件接触面边缘处,使用锥台形电极易出现应力集中现象,但电极与工件接触面边缘出应力最大。其次,基于ANSYS,建立了的二维点焊温度场热电力耦合计算模型。在分析过程中除了考虑了接触电阻、相变潜热、电极水冷、表面空气散热等因素对熔核生长过程的影响还考虑了材料热、电物理性能、力学性能随温度的变化的影响。由于计算中存在着材料非线性、几何非线性以及接触非线性问题,为了提高计算的收敛性能,采用了小时间计算步长。计算结果以熔核尺寸来表现。在热电耦合模型中,对接触电阻进行了简化,即不考虑压力导致的接触面积变化,从而引起接触电阻的变化。同时采用了ANSYS自带的单元生死技术,使模拟更加符合实际情况。在热电力耦合模型中,利用顺序耦合方法,将每时间步计算得到的各节点温度加载到结构模型中进行分析,从而得到最终的点焊模拟结果。最后,通过采用四种点焊规范参数以及改变电极端面尺寸的方法得出改善不等厚板熔核偏移的方法,即采用较硬规范或改变电极端面尺寸,并通过实验验证了该方法的合理性。最终预测出在实际生产中应用广泛的16MnL不等厚板点焊时,改善熔核偏移的最佳规范参数及电极端面尺寸。利用数值模拟的方法可以为指导生产提供依据,从而节约能源提高生产效率,同时对于点焊缺陷预测与焊点质量控制具有理论指导意义与实际应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 点焊过程分析
• 1.2.1 点焊焊接循环
• 1.2.2 点焊规范参数及其相互关系
• 1.3 点焊数值模拟的发展概况
• 1.4 点焊过程温度场数值模拟的研究进展
• 1.5 课题的主要研究内容
• 第2章 低碳钢不等厚板电阻点焊预压分析
• 2.1 点焊过程描述
• 2.2 有限元模型的建立
• 2.2.1 模型的假设条件
• 2.2.2 几何模型、有限元网格划分
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.4 材料力学性能
• 2.3 模拟结果分析
• 2.3.1 预压结束时应力分布情况
• 2.3.2 不同电极压力对接触应力的影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 低碳钢电阻点焊热电力耦合模拟
• 3.1 热电分析
• 3.1.1 电场分析
• 3.1.2 热传导分析
• 3.1.3 有限元模型及边界条件
• 3.1.4 材料的物理性能及相关参数处理
• 3.1.5 接触电阻的处理
• 3.1.6 生死单元的处理
• 3.1.7 热电耦合结果分析
• 3.2 热电力耦合分析
• 3.2.1 热弹塑性应力应变分析
• 3.2.2 热、电、力耦合控制方程
• 3.2.3 有限元模型及边界条件
• 3.2.4 热电力耦合模拟分析
• 3.2.5 热电力耦合结果分析
• 3.3 改善熔核偏移的研究
• 3.3.1 改变焊接规范参数
• 3.3.2 改变电极端面直径
• 3.4 实验验证
• 3.4.1 实验设备
• 3.4.2 实验过程
• 3.5 本章小结
• 第4章 16MnL钢不等厚板电阻点焊的数值模拟
• 4.1 有限元模型的建立
• 4.1.1 几何模型、有限元网格划分及边界条件
• 4.1.2 16MnL物理性能参数
• 4.1.3 16MnL不等厚板有限元分析
• 4.2 改善熔核的偏移
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢