GTAW电弧熔池行为的数值模拟

发布时间：2017-04-26 02:11

  本文关键词：GTAW电弧熔池行为的数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：钨极氩弧焊(GTAW)因其独特的优势,如焊缝美观、焊接质量好、智能自动化程度高等,使其广泛应用在各制造领域上。在GTAW的焊接过程中,电弧、熔池的行为特征影响着焊接质量,因此对其电弧、熔池的行为特征进行研究是改善焊接质量的基础。然而,由于电弧、熔池的特殊属性使得难以通过常规的办法对其进行观察、测量、研究。计算机技术的蓬勃发展,使得数值模拟技术已逐渐在各领域取得了相对较为广泛的应用。现如今,凭借数值模拟技术对相关焊接问题进行研究已成为研究焊接问题的一种新兴方法。本文通过对GTAW进行数值模拟,从而实现了对GTAW的电弧及熔池行为的研究。首先,基于GTAW的特点以及在流体力学理论基础上建立了电弧、熔池全耦合下的二维瞬态GTAW轴对称数学模型,凭借Fluent软件以及对其UDF模块的二次开发实现了对数学模型控制方程组的求解。其次,采用基本算例与实验相结合的方式,对所建的GTAW模型进行验证,通过比对分析说明本模型是满足要求的。然后,本文在基本算例的基础上,通过对其进行扩展、修正、优化,从而实现了对Ar、He混合气体保护下GTAW电弧、熔池的研究。最后,本文对基本算例、扩展算例的求解结果进行后处理,处理后的结果表明:纯氩气和混合气体下的GTAW电弧形态皆为钟罩形状,混合气体中He的存在促使电弧全体发生收缩,促使工件附近处的电弧发生上扬,从而使得电弧作用在母材的有效加热面积变小,随着混合气体He所占比例的增加,可使以上的现象变得更加明显。此外,混合气体中He的存在可使电弧更加稳定,并且随着其含量的增加,电弧稳定性呈现出进一步加强的趋势。无论是在纯氩气,还是在混合气体的保护下,GTAW的熔池所受的电磁力、表面张力均是熔池形状动态演变的主要源动力;其中,表面张力、电磁力分别是促使熔池具有勺形形状和碗状形状的主要驱动力。然而,混合气体中He的加入使熔池流动情况发生较大的变化,He的含量对熔池内主导力的归属具有一定的影响。随着He含量的增加,GTAW的熔深以较大增加率增加,但其熔宽则以不同的减小率逐渐减小,直至趋于稳定。本文在GTAW电弧、熔池行为特征的研究上以及在GTAW焊接工艺的优化和焊接质量的提高方面上,拥有一定的参考价值。
【关键词】：GTAW Fluent 数值模拟 电弧形态 熔池形状 混合气体
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG444.74
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 符号说明10-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 课题研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-24
• 1.2.1 电弧数值模拟的研究12-16
• 1.2.2 熔池数值模拟的研究16-20
• 1.2.3 电弧熔池之间界面的研究20-23
• 1.2.4 电弧熔池全耦合的研究23-24
• 1.3 本文研究的主要内容24-25
• 第二章 流体动力学基础及CFD软件25-33
• 2.1 流体动力学基础25-28
• 2.1.1 CFD基础25
• 2.1.2 流体动力学基本方程25-26
• 2.1.3 CFD数值求解方法26-28
• 2.2 CFD软件28-32
• 2.2.1 Fluent软件简介28-29
• 2.2.2 Fluent软件结构29-30
• 2.2.3 SIMPLE计算原理30-31
• 2.2.4 Fluent数值模拟过程31-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第三章 统一全耦合GTAW瞬态模型的建立及模拟的实现33-45
• 3.1 数学模型的建立33-41
• 3.1.1 基本假设33
• 3.1.2 控制方程组33-35
• 3.1.3 求解域35
• 3.1.4 网格的划分35-37
• 3.1.5 边界条件37-38
• 3.1.6 材料的物性参数38-41
• 3.2 模拟的实现41-43
• 3.2.1 UDF的二次开发41-43
• 3.2.2 求解过程43
• 3.3 本章小结43-45
• 第四章 GTAW数值模拟结果及数值分析45-67
• 4.1 基本算例45-52
• 4.1.1 基本算例45
• 4.1.2 模拟结果与讨论45-51
• 4.1.3 实验验证51-52
• 4.2 扩展算例52-64
• 4.2.1 混合气体的物性参数52-53
• 4.2.2 模拟结果与讨论53-64
• 4.3 本章小结64-67
• 第五章 结论与展望67-69
• 参考文献69-79
• 致谢79-81
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录81

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