焊接熔池动态过程及电弧能量分布的数值模拟

论文摘要

焊接过程是一个牵涉到电弧物理、传热传质、金属的熔化与凝固的复杂过程,焊接电弧的能量分布以及焊接熔池中的流体流动及其传热过程对焊接质量有着极为重要的影响。采用科学的方法建立焊接熔池和焊接电弧的数学模型,定量地分析焊接熔池中流场与热场,描述焊接熔池中的传热及流体流动,分析焊接电弧的形态及能量分布,对实现焊接过程的智能化有着重要的实际和理论意义。根据能量守恒的基本原理和流体力学以及传热学的理论知识,本文建立了运动电弧作用下三维GMAW、TIG焊接熔池的非稳态数学模型,并采用有限元方法对模型进行了离散化处理。在模型中综合考虑了使熔池金属产生运动的浮力、电磁力、表面张力、熔滴冲击力等驱动力,并且考虑了熔滴带入熔池的热量和动量对整个焊接热循环过程的影响,同时考虑了材料的热物理性能参数随温度的变化、焊接过程中熔池与外界的能量的交换,以及熔化/凝固相变对熔池流场及温度场的影响。根据磁流体动力学理论,应用流体动力学方程和麦克斯韦方程,本文建立了直流氩氮气体保护TIG焊电弧轴对称数学模型,模拟了焊接电弧的热过程和流体流动。模型中采用了符合实际的尖端阴极形状,氩气和氮气的物理性能参数对温度高度非线性,选取了合理的边界条件。计算电场时将阴极和弧柱结合起来,避免了对阴极电流密度分布的假设。在ANSYS软件分析中采用模块化计算,分别建立温度场、电磁场和流场的几何模型,相互调用计算结果迭代运算。根据GMAW、TIG焊接熔池温度场和流场的特点,本文利用通用有限元软件ANSYS,采用非均匀网格对单元进行了划分,使用热源叠加的方式对GMAW、TIG焊接熔池热量的吸收进行了处理,对所建的数学模型进行求解。计算了焊接电流和焊接速度对焊接温度场分布的影响。通过焊接工艺实验,测量的焊缝熔宽和熔深结果与计算结果相比较,结果表明本文所建模型的计算值和实际测量值相差不大,验证了所建模型和采用的软件方法是正确、可靠的。根据GMAW焊接过程的特点,结合智能诊断的基本理论,并利用误差反向传播算法(BP算法)建立了人工神经网络质量预测模型,应用计算工具MATLAB对神经网络预测模型进行了计算。此外,还对质量智能诊断过程中的特征提取和逆ANN模型的计算方法进行了初步的研究,给出了基本的算法程序。并采用焊接工艺实验对本文所建立的质量预测模型进行验证。实验结果表明,所建立的模型和采用的计算方法是正确和可靠的。采用温升法测量了氩氮保护TIG焊电弧的热功率和静特性。对电弧热功率的计算表明,随着氮气含量的增加,不仅总的电弧热功率增加,阳极热功率占整个电弧热功率的比例明显提高。对直流氩氮保护TIG焊电弧数值模拟的结果表明:随着氮气含量的增加,电弧的温度、电流密度以及等离子体速度均增大,符合实验所测定的氩氮电弧的高热特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 焊接热过程数值计算概述
• 1.2.1 焊接热过程计算研究领域的国内外现状
• 1.2.2 当前数值模拟存在的一些问题
• 1.3 人工神经网络概述及其应用
• 1.4 国内外对焊接电弧的研究现状
• 1.5 有限元法和ANSYS的概述及其应用
• 1.5.1 有限元概述
• 1.5.2 有限元软件在焊接过程分析中的应用和发展
• 1.5.3 ANSYS概述
• 1.5.4 有限元法目前研究的焦点和方向
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第二章 GMAW焊接熔池行为及其数学模型
• 2.1 GMAW焊接熔池数学模型的建立
• 2.1.1 GMAW焊接熔池行为的描述
• 2.1.2 GMAW焊熔滴射流过渡的能量传输
• 2.1.3 直角坐标系下GMAW焊接熔池行为的控制方程
• 2.1.4 定解条件
• 2.2 熔池数学模型的求解
• 2.2.1 定义单元属性
• 2.2.2 划分网格
• 2.2.3 熔滴带入熔池能量和动量的数值处理
• 2.2.4 热源的选取
• 2.2.5 熔化/凝固相变潜热的处理
• 2.2.6 材料的热物理性能
• 2.2.7 计算模型的初步校验
• 2.3 数值模拟结果和试验验证
• 2.3.1 熔池温度场的计算结果
• 2.3.2 模型的试验验证
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于人工神经网络的GMAW焊接质量特征建模
• 3.1 引言
• 3.2 焊接过程神经网络预测模型的建立
• 3.2.1 模型输入输出参数的选择
• 3.2.2 模型的训练
• 3.2.3 模型计算结果
• 3.3 模拟结果的实验验证和分析
• 3.4 特征提取
• 3.5 逆ANN
• 3.6 本章小结
• 第四章 不预热紫铜TIG焊熔池温度场的数值模拟
• 4.1 焊接熔池温度场的模拟
• 4.1.1 控制方程组的建立
• 4.1.2 热源的选取
• 4.1.3 边界条件及相变潜热
• 4.1.4 求解方法
• 4.2 材料的热物理参数
• 4.3 瞬态传热有限元分析
• 4.4 计算结果和试验验证
• 4.4.1 熔池温度场的变化过程
• 4.4.2 温度场的计算结果和试验验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 氩氮混合气体保护TIG电弧的数学模型
• 5.1 氩氮TIG电弧电特性及其形态
• 5.1.1 试验条件、测试仪器设备及方法
• 5.1.2 氩氮电弧电特性的试验结果及分析
• 5.1.3 氩氮电弧热特性的试验结果及分析
• 5.1.4 氩氮TIG电弧形态的试验结果及分析
• 5.2 氩氮混合气体保护TIG焊接电弧的基本模型和控制方程组
• 5.2.1 基本假设
• 5.2.2 控制方程组
• 5.3 控制方程组的有限元解法
• 5.4 计算区域和计算步骤
• 5.5 本章小结
• 第六章 氩氮混合气体保护TIG电弧的模拟结果分析
• 6.1 直流氩氮混合气体保护TIG焊接电弧数值计算结果
• 6.1.1 电弧温度场的分布
• 6.1.2 电弧电流密度的分布
• 6.1.3 焊接规范参数对电弧电流密度分布的影响
• 6.1.4 电弧压力的分布
• 6.1.5 焊接规范参数对电弧压力分布的影响
• 6.1.6 焊接规范参数对电弧等离子体速度分布的影响
• 6.2 氮气含量对直流TIG焊接电弧影响的分析
• 6.2.1 氮气含量对直流TIG焊接电弧轴线温度的影响
• 6.2.2 氮气含量对直流TIG焊接电弧阳极表面电流密度的影响
• 6.2.3 氮气含量对直流TIG焊接电弧等离子体速度分布的影响
• 6.2.4 氮气含量对直流TIG焊接电弧压力分布的影响
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 结论
• 7.2 存在的问题
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢