焊接熔池相变传热特性及流体动力学分析

发布时间：2017-05-16 14:12

  本文关键词：焊接熔池相变传热特性及流体动力学分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 焊接过程是一个涉及到传热传质、金属的熔化与凝固的复杂过程,焊接热源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温度场,描述焊接熔池中的相变传热及流体流动特性,分析焊接热源的形态及能量分布,对实现焊接过程的自动化控制有重要的实际和理论意义。本文以焊接工艺为研究背景,以Fluent软件为计算平台,在总结前人的成果基础上,分析了金属相变传热过程以及流体流动特性对焊接熔池形成的影响。文中对材料热物性参数的温度依赖性、熔化潜热以及工件表面换热系数等参数的影响进行了理论分析以及数值模拟分析。 (1)用高斯热源模型建立了运动电弧热源模型,分析了焊接工艺参数对温度场的影响,计算结果表明,随着焊接电流的增大或焊接速度的减小,熔池体积增加,熔宽和熔深都增大。随着焊接速度的提高,熔池近熔合线区温度梯度增大,熔池深宽比减小。 (2)焊缝和热影响区金属组织的变化,除了金属本身的冶金因素之外,还决定于焊接热循环。某点所经历的加热速度、加热的最高温度、高温停间和随后的冷却速度都决定着该点的组织和性能。随着焊接速度的提高,熔池近熔合线区温度梯度增大,热影响区也随之变小。 (3)分析了在熔池形成过程中,熔池内金属熔体的流动情况对熔池发展的影响;并在熔池形成过程中考虑了惯性力、热浮力、表面张力等因素的影响。在焊接热源作用下,在热源中心附近其熔体的表面温度最高,偏离熔池中心区域越远,熔体的表面温度越低。这样由于熔池内温度分布不均匀,造成表面张力大小不等,温度越高的地方表面张力越小,这种表面张力差驱使液体从低表面张力区流向高表面张力区,而这样流动的结果又使液面产生了高度差,在重力作用下,熔体重新回流,形成对流。 (4)以激光焊接过程为研究对象,运用数值模拟方法分析了运动热源作用下激光深熔焊接熔池行为,研究了激光熔焊工艺参数对焊接熔池行为的影响。基于固液界面的不稳定性,引入固液界面非均匀系数,对激光焊接过程中金属汽化现象进行了分析。
【关键词】：相变传热 熔池 温度场 激光焊接 汽化
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TG402
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 本文的研究背景9-10
• 1.2 焊接熔池相变传热特性研究历史与现状10-13
• 1.2.1 TIG 焊熔池内流体流动以及形成研究进展10-11
• 1.2.2 激光高能束焊接相变传热特性及熔池形成研究进展11-13
• 1.3 本文的研究内容13-15
• 第2章 数值方法介绍与计算流体力学概述15-21
• 2.1 引言15
• 2.2 数值方法介绍15-18
• 2.2.1 有限元法15-16
• 2.2.2 有限差分法16
• 2.2.3 边界元法16-17
• 2.2.4 有限体积法17-18
• 2.3 计算流体力学概述18-19
• 2.4 本章小结19-21
• 第3章 焊接过程中熔池内温度场分析21-37
• 3.1 引言21
• 3.2 焊接熔池温度场有限元模型的建立21-25
• 3.2.1 热源模型的选取21-24
• 3.2.2 材料热物理参数对数值模拟的影响24-25
• 3.3 数值计算与结果分析25-35
• 3.3.1 焊接熔池数学模型25-27
• 3.3.2 焊接熔池的温度场分析27-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第4章 焊接相变传热过程的数值模拟37-49
• 4.1 引言37
• 4.2 固-液相变传热问题解析求解方法37-40
• 4.2.1 移动界面的边界条件37-39
• 4.2.2 密度变化的影响39
• 4.2.3 考虑对流项的影响39-40
• 4.2.4 移动界面的非线性特征40
• 4.2.5 相变问题的解析解40
• 4.3 固-液相变传热问题求解有限元方法40-45
• 4.3.1 焓法模型41-43
• 4.3.2 显热容法模型43-44
• 4.3.3 等效热容法模型44
• 4.3.4 拟源项法模型44-45
• 4.4 焊接熔池熔体流场数值模拟分析45-46
• 4.5 本章小结46-49
• 第5章 激光焊接过程中相变传热特性研究49-67
• 5.1 引言49-50
• 5.2 激光焊接过程熔池中的对流传热分析50-53
• 5.2.1 流动和传热问题控制方程50-51
• 5.2.2 激光焊接熔池中的对流换热问题51
• 5.2.3 影响激光焊熔池内熔体对流的因素51-53
• 5.3 基于流体体积函数的气-液界面演化捕捉53-57
• 5.3.1 气-液界面控制方程54-56
• 5.3.2 无相变界面捕捉算例分析56-57
• 5.4 焊接过程中熔池内金属蒸发过程分析57-64
• 5.4.1 相变界面捕捉方法57-58
• 5.4.2 激光焊接熔池内熔体蒸发物理模型58-59
• 5.4.3 熔池内熔体蒸发过程数值模拟分析59-64
• 5.5 本章小结64-67
• 总结与展望67-69
• 参考文献69-74
• 攻读硕士学位期间发表论文情况74-75
• 致谢75

【引证文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 庄学强;大型液化天然气储罐泄漏扩散数值模拟[D];武汉理工大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 霍丹;焊接熔池中的流体力学方程数值模拟研究[D];沈阳工业大学;2011年

2 姜丽丽;基于多重网格方法的焊接熔池中耦合场的数值模拟研究[D];沈阳工业大学;2012年

3 吴刚;铝合金激光-TIG复合焊接残余应力与变形的数值分析[D];电子科技大学;2012年

4 欧阳自鹏;铝合金T型接头双激光束双侧同步焊接稳定性研究[D];南京航空航天大学;2012年

  本文关键词：焊接熔池相变传热特性及流体动力学分析，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：371055