[發明專利]一種基于ANSYS預測CMT焊縫形狀尺寸的方法

無效

• 申請號: 201310217892.6
• 申請日: 2013-06-04
• 公開（公告）號: CN103366044A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 董重里;吳開源;蘭艷林;林介東;聶銘;李順華
• 申請（專利權）人: 廣東電網公司電力科學研究院;華南理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 廣州知友專利商標代理有限公司 44104
• 代理人: 周克佑

1.一種基于ANSYS預測CMT焊縫形狀尺寸的方法，其特征是包括以下步驟：

S1采集焊接過程數據

包括：

焊接參數：焊接電流、焊接電壓、送絲速度和焊接速度；

材料熱物性參數：熱傳導系數、比熱、密度和散熱系數；

初始信息：焊件尺寸和環境溫度；

S2建立有限元分析模型

對焊縫余高的處理：在有限元分析中，焊縫的余高預先加到工件上，在計算過程中采用單元激活的方法處理；為了簡化計算，設余高橫截面輪廓曲線為：y=ax²(a＜0)，θ根據焊接工藝的實際情況適當的選取，得：

dydx|y=-h=tanθ;]]>

即

dydx|y=-h=2ax|x=-ha=-2a-ha=tanθ;]]>

因此，

h=-tan2θ4a;]]>

式中：a為曲線參數；h為焊縫高度；θ為焊縫與母材之間的夾角；

由于單位時間內熔敷的金屬量是已知的，即金屬液體截面積A已知，表示為：

A=πdf2vf4v0]]>

式中：d_f為焊絲直徑；v_f為送絲速度；v₀為焊接速度；

因為

A=2∫0-h/a(ax2+h)dx;]]>

所以可得

a2=2v0tan3θ3πdf2vf;]]>

由上式可以得到a值，進而求出h，焊縫余高橫截面形狀被確定；

S3網格劃分

采用8節點六面體的不均勻網格，工件分成3個部分：焊縫區、過渡區和遠離焊縫區；其中焊縫區采用網格大小為0.0002m的網格，遠離焊縫區采用網格大小為0.005m的網格，過渡區采用自由網格劃分方法；

S4熱源處理

按體積分布熱源處理，采用雙半橢球體分布熱源，電弧前、后的半橢球體形狀不同；

S5控制方程的確立

固定坐標系(x,y,z)下的熱傳導方程為

ρcp∂T∂t=∂∂x(k∂T∂x)+∂∂y(k∂T∂y)+∂∂z(k∂T∂z)+q(x,y,z);]]>

式中：ρ為金屬的密度；c_p為定壓比熱容；T為溫度；t為時間；k為導熱系數；(x,y,z)為固定的三維直角坐標；

在移動坐標系中熱傳導方程為：

ρcp[∂T∂t+(-v0)∂T∂y]=∂∂x(k∂T∂x)+∂∂y(k∂T∂y)+∂∂z(k∂T∂z)+qa;]]>

式中：v₀為焊接速度；x,y,z為移動坐標系的三個坐標軸；q_a為電弧作用范圍內的體積熱源；

上式的定解條件如下，

①工件上表面有

k∂T∂z=qs-qcr-qevp]]>

q_cr=k_cr(T-T_a)

q_evp=m_erL_b

式中：q_s為所施加的雙半橢球體熱源；q_cr為因對流和輻射而散發的熱流密度；q_evp為因蒸發而散失的熱流密度；k_cr為對流和輻射邊界的綜合導熱系數；T_a為環境溫度；m_er為蒸發率；L_b為蒸發潛熱常數；

②工件下表面有

-k∂T∂z=-qcr]]>

③對稱面(x=0)有

∂T∂x=0]]>

初始條件為

T(x,y,z,0)=T_a；

S6獲得瞬態溫度場：計算溫度場分布，計算時間步長采用自適應步長，根據焊接溫度場的計算結果得出焊縫截面形狀與尺寸；

上述預測是在以下假設上進行的：

寬度方向上邊界換熱條件和幾何形狀對稱；

材料的熱物理性能隨溫度變化；

不考慮熔池金屬的蒸發。

2.根據權利要求1所述的基于ANSYS預測CMT焊縫形狀尺寸的方法，其特征是：所述的步驟S2中，tanθ取0.75。