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1、上海交通大学博士学位论文TIG焊接电弧与熔池动态交互作用三维数值模拟姓名：芦凤桂申请学位级别：博士专业：材料加工工程指导教师：姚舜20040801上海交通大学博士学位论文 1 T I G 焊接电弧与熔池动态交互作用三维数值模拟 摘 要 焊接虚拟制造技术包括对焊接设备机械运动和焊接过程的动态仿真电弧与熔池特征动态模拟构件和产品的焊接温度场应力场及焊接变形模拟演示焊接的整个过程揭示焊接过程中可能出现的问题为焊接工作者采取相应对策提供依据焊接虚拟制造技术可以大大减少试验次数缩短产品的开发周期节约投资和研制成本优化结构设计提高产品质量焊接虚拟制造技术成为当前国内外研究的新热点 电弧焊应用的广泛性热源的
2、典型性对电弧与熔池的研究是研究焊接温度场应力场及变形的前提和基础在电弧焊过程中始终伴随着电弧与熔池的交互作用电弧与熔池的界面部分一直是研究电弧与熔池的重点和难点数值模拟技术是实现焊接虚拟制造技术的重要方法因此对焊接电弧和熔池行为进行数值分析是实现焊接虚拟制造技术的重要内容是深入了解焊接过程的重要环节将焊接电弧与熔池统一起来进行分析可以更为精确的揭示电弧等离子体与熔池相互作用的机制以及焊缝的形状特征使对电弧和熔池的数值模拟更能反映实际情况对控制焊缝成形及焊接质量具有重要的理论意义和工程应用价值 论文在调查国内外焊接电弧熔池行为模拟研究最新动态的基础上建立了电弧熔池动态行为的三维 TIG 焊接电弧
3、与熔池模型通过电弧上海交通大学博士学位论文 2 熔池反复耦合迭代求解分析了电弧与熔池的动态行为特征提高了对电弧与熔池数值模拟结果的准确性三维模拟分析结果更逼真更真实地反映了电弧熔池的动态行为论文的研究成果对推动焊接虚拟制造的理论研究和工程应用提供技术基础 作者建立了焊接电弧与熔池的试验平台对电弧压力电流密度熔池表面变形与熔池形状进行试验研究试验结果表明焊接电弧对工件表面的电弧压力和电流密度峰值随着电流的增大而增大随着弧长的增长而减小在本试验条件下电流密度的分布是符合高斯分布曲线电弧压力的分布在电弧中心部位与高斯曲线吻合较好而在电弧边缘处与双面指数曲线吻合较好对熔池表面形状的试验研究表明随着焊接
4、时间的延长熔池表面在电弧压力表面张力和重力的作用下出现了中间下凹四周凸起的变形实测结果证明了本文所建立的模型计算分析结果具有较高的精度 应用 ANSYS 有限元软件及所建立的三维 TIG 焊接电弧与熔池统一数学模型对 TIG 焊接电弧与熔池的流场和热场进行了动态耦合数值模拟在对焊接电弧与熔池动态行为进行模拟分析时熔池表面变形公式作为过程参数处理通过电弧与熔池的耦合迭代分析不断更新电弧与熔池的计算区域处理了电弧与熔池之间界面地的动态变化应用紊流模型分析了熔池内液体金属的流动状况采用等效比热作为金属在加热过程中的固态液态相变的判据把液相和固相都视为液相用不同的粘度系数表征处理了熔池在形成过程中的熔
5、化区和非熔化区的移动边上海交通大学博士学位论文 3 界 论文研究了电弧的温度场分布形态结果表明电弧等离子体温度场等温线的计算值与实验测得的温度场等温线分布规律基本一致模拟计算得到的电弧等离子体温度分布的外形轮廓与实际拍摄到的电弧外形基本相似呈现典型的钟形 论文研究了电弧区电流密度分布状态研究了焊接参数对电弧阳极电流密度分别状况的影响结果表明模拟计算得到的阳极电流密度与试验测得的阳极电流密度分布基本一致 论文研究了电弧等离子体流场分布状态和促使等离子体流动的电磁动力学机理分析了阳极电弧压力产生的原因应用本模型计算出的阳极电弧压力分布与试验值呈现很好的一致性 研究了电磁力表面张力电磁力和表面张力联
6、合作用下熔池内部液体金属的流动机制以及对熔池成形的影响结果表明在单纯电磁力的作用下熔池的深度由中心向四周逐渐减小在单纯的表面张力作用下熔池形状是四周熔深大中心熔深小在电磁力和表面张力联合作用下表面张力在熔池内部液体金属的流动中作用明显液体金属基本上是向外向下流动的即在熔池较大的时候表面张力对熔池内部液体金属的流动占据了主导作用 论文研究了熔池自由表面变形对电弧行为特征的影响结果表明随着熔池表面变形程度的增加弧柱向中心收缩弧柱直径变小当熔池表面发生凹凸变形时电弧作用于熔池表面的热流密度输入状况从近似上海交通大学博士学位论文 4 高斯分布变化为不规则的双峰分布即电弧中心处出现热流密度低谷 论文研究
7、了焊接电流大小对熔池成形的影响 发现在大电流状态下熔池表面变形对电弧与熔池行为和熔池的成形影响较为显著而且对熔池的成形起着十分重要的作用在小电流状态下考虑自由表面变形模拟计算出的熔池形状和平坦熔池表面假定条件下模拟计算出的熔池形状相比前者与试验值更为接近证明了本文所建立的三维电弧与熔池模型的可靠性 关键词焊接虚拟制造技术 TIG 焊接电弧与熔池表面变形动态耦合数值模拟 上海交通大学博士学位论文 5 3D NUMERICAL SIMULATION ON DYNAMIC INTERACTION BETWEEN TIG WELDING ARC AND WELD POOL ABSTRACT Weldi
8、ng virtual manufacture technology could demonstrate the whole welding process and open out the probably problems met during welding process through dynamic simulation machine movement of welding equipments and welding process, simulation on welding arc and pool, and simulation on welding thermal fie
9、ld, stress and strain of component and product. Welding workers could adopt countermeasures according to the results achieved by virtual manufacture technology. Welding virtual manufacture technology could greatly reduce experiment times, shorten development period, save investment and study cost, o
10、ptimize product design and improve product quality. So welding virtual manufacture technology becomes a new study hotspot. Arc welding has widely use and typical heat source, so study on welding arc and pool provide precondition and basis for others study including welding thermal field, stress and
11、strain. Interaction of arc and pool going with the whole arc welding, study on the interface of welding arc and pool becomes emphases and difficulty. Numerical simulation is an important way to realize welding virtual manufacture technology. Numerical simulation on 上海交通大学博士学位论文 6 welding arc and poo
12、l are important content of virtual manufacture technology and important tache of understanding deeply welding process. Study on the unification of welding arc and pool could open out interaction of welding arc and pool and weld forming characters and reflect the reality and have important theory dir
13、ection to control weld forming and weld quality. In this paper, three dimensions TIG welding arc and pool mathematic model was established. And repeat solution formula of pool surface deformation, the problem of the dynamic surface of welding arc and pool had successful solution. So veracity of simu
14、lation results was improved. The 3D simulation results could better reflect the reality of dynamic welding arc and pool characters. The study achievements of this paper could contribute to the theory of virtual manufacture technology and provide technology basis of engineering application. The autho
15、r established experiment platform to measure arc pressure, current density and surface deformation of weld pool and weld pool shape. The experiment results show that the peak value of arc pressure and current density of surface of work piece increases with current increasing and diminishes with arc
16、length increasing. Under present experiment condition, current density distribution is in concordance with Gauss distribution and arc pressure distribution is in concordance with Gauss distribution at the middle 上海交通大学博士学位论文 7 of arc, but fit to the hyperbolical curve at the edge of arc. The experiment results of weld pool show that the surface of weld pool has concave in the middle of weld pool and convex around the weld pool under arc pressure, electromagnetic force and gravity. Basing on t
