不锈钢点焊温度场及分流对其影响的数值模拟研究

发布时间：2017-08-18 14:32

  本文关键词：不锈钢点焊温度场及分流对其影响的数值模拟研究

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【摘要】：电阻点焊是广泛应用于轨道客车及汽车车体制造的重要技术，它是一个涉及热、电、力等多个物理学科的工艺过程。由于点焊形核过程的瞬时性和不可见性，使其试验研究变得相对困难，通过数值模拟技术可以很好的解决这一问题。利用耦合场可以模拟多个物理环境共同作用的点焊过程，通过设置不同的点焊参数条件及建立与实际情况更为接近的模型进行数值仿真分析，可以得到试验所不能获取的信息，从而对电阻点焊机理有更加深入和系统的了解。 本文利用有限元模拟软件ANSYS研究SUS304不锈钢的点焊过程，通过热、电、力耦合结合生死单元技术分析不锈钢电阻点焊过程的电势场、温度场和电流密度分布，并模拟不同焊接参数对熔核形成过程的影响和分流对焊接温度场的影响。 本文分析了点焊预压阶段焊接区的应力应变分布及电极/工件、工件/工件接触情况。由分析可知：电极和工件内部应力均为压应力，轴向压应力最大值在工件/工件接触面，在工件内部分布均匀，径向压应力最大值在电极/工件接触面，沿径向逐渐减小，电极/工件和工件/工件接触压应力峰值均出现在对称中心附近，接触压应力随时间递增，沿径向逐渐减小；工件/工件间接触面积明显大于电极/工件接触面积；随电极压力增大，接触压应力增加，接触半径增大。 利用预压分析得到的接触信息作为初始接触条件，建立热电耦合和热力耦合模型，采用顺序耦合方法实现两个物理场的转换，利用生死单元技术解决接触面积动态变化的问题。模拟中综合考虑材料的物性参数，特别是接触电阻的设置，通过分析深入了解形核机理。结果表明：通电过程中温度不断升高，最终形成熔核；并且随焊接电流的增大，熔核尺寸不断增大；增加通电时间与增大焊接电流的作用相似；随电极压力的增大，熔核尺寸略减小。维持阶段温度快速降低，熔化温度区逐渐收缩，维持结束时，等温线变为垂直于径向分布的稀疏平行线。 焊接分流可能引起熔核直径和焊透率的下降，，影响焊接接头的承载能力。本文建立不同点焊间距和不同板厚的模型模拟焊接分流情况，并比较不同点焊间距对熔核尺寸的影响。分析可知：分流现象的出现使熔核尺寸减小，并且随焊点间距增大分流作用减弱，随板厚的增加分流作用增强，对于2mm等厚SUS304不锈钢焊点间距应在30mm以上。 经试验验证，模拟结果与试验结果误差不大。试验验证了模拟方法的正确性，模拟结果对实际生产有重要的指导意义。
【关键词】：点焊 不锈钢 数值模拟 温度场 分流
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 选题背景及意义10-12
• 1.2 点焊数值模拟技术的研究进展12-17
• 1.2.1 焊接数值模拟概述12-13
• 1.2.2 电阻点焊过程数值模拟的研究发展13-17
• 1.2.3 多点焊数值模拟的发展趋势17
• 1.2.4 电阻点焊过程数值模的发展趋势17
• 1.3 本文主要研究内容17-20
• 第2章 不锈钢点焊预压数值模拟分析20-34
• 2.1 弹塑性接触有限元分析理论20-22
• 2.1.1 弹塑性分析的理论基础20-22
• 2.1.2 接触问题有限元分析的基本思路22
• 2.2 不锈钢点焊预压分析模型22-26
• 2.2.1 几何模型23
• 2.2.2 网格划分及边界条件23-25
• 2.2.3 材料成分及力学性能参数25-26
• 2.2.4 求解设置26
• 2.3 结果分析26-32
• 2.3.1 接触面压力对比26-28
• 2.3.2 电极压力对预压过程的影响28-30
• 2.3.3 应力应变场分析30-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第3章 不锈钢电阻点焊热电力耦合分析34-60
• 3.1 点焊过程的基本方程34-38
• 3.1.1 点焊热源34-35
• 3.1.2 热电方程35-36
• 3.1.3 热弹塑性应力-应变关系36-38
• 3.2 不锈钢点焊的有限元模型38-42
• 3.2.1 模型的建立39
• 3.2.2 网格划分及边界条件39-41
• 3.2.3 材料性能参数41-42
• 3.3 点焊数值模拟中的关键技术42-49
• 3.3.1 接触电阻的处理42-45
• 3.3.2 顺序耦合45-46
• 3.3.3 生死单元技术46
• 3.3.4 点焊模拟流程46-49
• 3.4 模拟结果分析49-53
• 3.4.1 温度场分布49-52
• 3.4.2 电势场分布52-53
• 3.4.3 接触半径变化53
• 3.5 点焊工艺参数对熔核形成过程的影响53-57
• 3.5.1 焊接压力对熔核形成过程的影响54-55
• 3.5.2 焊接电流对熔核形成过程的影响55-56
• 3.5.3 通电时间对熔核形成过程的影响56-57
• 3.6 本章小结57-60
• 第4章 不锈钢电阻点焊分流的数值模拟60-68
• 4.1 点焊分流的影响因素及改善措施60-61
• 4.1.1 点焊分流的影响因素60-61
• 4.1.2 点焊分流的改善措施61
• 4.2 模拟方法61-62
• 4.3 模拟结果分析62-66
• 4.3.1 分流对电流密度分布的影响62
• 4.3.2 焊距对分流的影响62-65
• 4.3.3 板厚对分流的影响65
• 4.3.4 分流对熔核形成过程的影响65-66
• 4.4 本章小结66-68
• 第5章 试验验证68-72
• 5.1 试验条件68
• 5.2 试验结果与模拟结果对比68-70
• 5.3 误差分析70-71
• 5.4 本章小结71-72
• 第6章 结论72-74
• 参考文献74-79
• 致谢79

【参考文献】

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本文编号：695108